Достижения в области квантовых излучателей знаменуют собой прогресс на пути к квантовому Интернету

Перспектива создания квантового Интернета, соединяющего квантовые компьютеры и обеспечивающего высокозащищенную передачу данных, заманчива, но его создание представляет собой сложную задачу. Транспортировка квантовой информации требует работы с отдельными фотонами, а не с источниками света, используемыми в обычных оптоволоконных сетях. Чтобы производить отдельные фотоны и манипулировать ими, ученые обращаются к квантовым излучателям света, также известным как центры окраски. Эти дефекты атомного масштаба в полупроводниковых материалах могут излучать одиночные фотоны фиксированной длины волны или цвета и позволять фотонам контролируемым образом взаимодействовать со свойствами спина электронов.

Группа исследователей недавно продемонстрировала более эффективный метод создания квантовых эмиттеров с использованием импульсных ионных пучков, что углубило наше понимание того, как формируются квантовые эмиттеры. Работу возглавляли исследователи Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) Министерства энергетики Томас Шенкель, Лян Тан и Бубакар Канте, который также является доцентом кафедры электротехники и компьютерных наук в Калифорнийском университете в Беркли. Результаты появились в журнале Physics Review Applied и являются частью более масштабных усилий команды по выявлению лучших излучателей квантовых дефектов для обработки и транспортировки квантовой информации и их точному производству.

«Центры окраски, которые мы создаем, являются кандидатами на то, чтобы стать основой квантового Интернета и ключевым ресурсом для масштабируемой квантовой обработки информации», — сказал Шенкель, старший научный сотрудник отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) лаборатории Беркли. «Они могли бы поддерживать объединение узлов квантовых вычислений для масштабируемых квантовых вычислений».

«Центры окраски, которые мы создаем, являются кандидатами на то, чтобы стать основой квантового Интернета и ключевым ресурсом для масштабируемой квантовой обработки информации» — Томас Шенкель

В этой работе команда нацелилась на создание особого типа центра окраски в кремнии, состоящего из двух замещающих атомов углерода и слегка смещенного атома кремния. Традиционный метод создания дефектов заключается в воздействии на кремний непрерывным пучком ионов высокой энергии; однако исследователи обнаружили, что импульсный ионный луч значительно более эффективен, создавая гораздо больше желаемых центров окраски.

«Мы были удивлены, обнаружив, что эти дефекты легче создать с помощью импульсных ионных пучков», — сказал Вэй Лю, научный сотрудник ATAP и первый автор публикации. «В настоящее время промышленность и научные круги в основном используют непрерывные лучи, но мы продемонстрировали более эффективный подход».

Исследователи полагают, что переходные возбуждения, создаваемые импульсным лучом, при которых температура и энергетика системы быстро меняются, являются ключом к более эффективному формированию центра окраски, что они установили в ходе более раннего исследования с использованием импульсных ионных пучков из лазерного ускорителя, опубликованного в коммуникационных материалах.

Команда охарактеризовала центры окраски при криогенных температурах, используя высокочувствительные детекторы ближнего инфракрасного диапазона для исследования их оптических сигналов. Они обнаружили, что интенсивность ионного луча, используемого для создания центров окраски, меняет оптические свойства испускаемых ими фотонов. Крупномасштабное компьютерное моделирование на системе Перлмуттера в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) предоставило дальнейшее понимание открытия, показав, что длина волны испускаемых фотонов чувствительна к деформации в кристаллической решетке.

«Расчёты электронной структуры из первых принципов стали основным методом понимания свойств дефектов», — добавил Всеволод Иванов, постдокторант из Molecular Foundry и соавтор публикации. «Мы достигли точки, когда можем предсказать, как поведет себя дефект, даже в сложных средах».

Полученные результаты также предполагают новое применение центров окраски квантовых излучателей в качестве датчиков излучения.

«Это открывает новые направления», — сказал Тан, научный сотрудник Молекулярного литейного завода лаборатории Беркли. «Мы можем сформировать этот центр окраски, просто ударив протоном по кремнию. Потенциально мы могли бы использовать его в качестве детектора темной материи или нейтрино с направленностью, потому что мы видим эти разные поля деформации в зависимости от того, каким путем пришло излучение».