センシング光エミッタをリアルタイムで形成

September, 1, 2023, Cambridge--研究者は、レーザ書き込みと検出方法を組み合わせて、量子ビットと量子ネットワークをより適切に制御する。

量子ネットワークを可能にする新しい技術を模索しているハーバード大学の研究者は、量子コンピューティングの最も基本的な単位である量子ビットを形成するために使用できる、単一原子の表面近くの材料欠陥を作成するための新しいレーザベースの戦略を開発した。チームはまた、ナノスケールの空洞内の光エミッタの形成を測定および特性評価するためのリアルタイム法を発見した。

ハーバード大学ジョンA.ポールソン工学応用科学大学院(SEAS)のEvelyn Huと同氏のチームによって、この進歩は量子ビット出力のタイミングと強度をより適切に制御できるようになる可能性があると報告している。

「これらは本質的に「欠陥のある」材料である。他の点では完璧な結晶構造には原子や空孔はない」と、論文の上級著者であり、SEASの応用物理学および電気工学のTarr-Coyne教授、Huは話している。「空孔はそれ自身の電子状態、特定のスピンを持ち、特定の波長の光子を放出する可能性がある」。

これらの欠陥とそれらが放出する光の波長は、ダイヤモンドや他の結晶に美しい色を与えることができるため、カラーセンタと呼ばれることもある。しかし、光を屈折、制御、または操作するフォトニック材料のナノスケールの空洞内では、これらの欠陥は情報の光エミッタのように機能する可能性がある。

「われわれのチームは、これらの欠陥の形成と、それらが量子ネットワークで量子ビットとしてどのように振る舞うことができるかに非常に興味を持っている。エンタングルメントを介してナノフォトニックキャビティ内の一連の欠陥を結合すると、量子情報の伝達が可能になる」と、論文の共同筆頭著者、Aaron Dayは話している。同氏と論文のもう一人の共同筆頭著者であるJonathan Dietzは、どちらもHuの研究室の応用物理学博士号候補。

しかし、これまで、材料の結晶構造の残りの部分を損なうことなく、ナノスケールの空洞内の光エミッタの正確な位置を完全に制御する方法はなかった。

通常、このような空洞内にエミッタを作成するプロセスでは、イオンまたはバンドギャップ以下のレーザを使用して材料の結晶構造を破壊する必要がある。(バンドギャップとは、材料の電子を励起して自由に電流を流すために必要な最小エネルギー量を指す。）しかし、イオン注入装置はほとんどのラボでは利用できない。Huは、従来の技術は、どちらも運動エネルギーの「ブルートフォース(馬鹿力)」使用であり、非効率的で制御が難しく、慎重な掘削というよりはサンドブラストのようなものだと指摘している。

「われわれがやりたいことを成し遂げるには、非常に正確な機器を開発する必要があることは分かっていた」(Hu)。

チームは、レーザ(書き込みを行うスタイラス)とキャビティ(書き込みを行うテンプレート)を使用して、空孔形成を行い、特徴付けることで、ソリューションをスタイラスとテンプレートに擬えている。「われわれは、バンドギャップ下のレーザよりも多くの光子エネルギーを含むバンドギャップ以上の光パルスを使用してこれを行い、レーザの「スタイラス」から材料の「テンプレート」にエネルギーをより効率的に伝達したかった」(Day)。

まず、DayとDietzは、クリーンルームで商用グレードの炭化ケイ素からナノフォトニックキャビティデバイスを製造した。これは時間と骨の折れる作業だった。次に、空洞内の必要な場所に正確に光エミッタを作成する実験を行った。

「当初、レーザパルスは空洞を吹き飛ばしていた。基本的には爆発していた」とDayは言うが、結果は理想からはほど遠いものだった。「レーザのエネルギーを劇的に減らす必要があった」

試行錯誤を通じて、チームは「爆発」を引き起こすことなくキャビティの残りの部分を維持しながら、所望のエミッタを作成するために必要なエネルギー量とエネルギー量を決定した。また、システムに追加の「読み出し」レーザを組み込み、欠陥形成レーザによってパルスされる前後に共振器から放出される共鳴つまりフォトニック信号を評価できるようにした。

「われわれが見つけた最もクールなことの1つは、キャビティをモニタし、1つのレーザパルスにより光エミッタを作成し、キャビティへの即時の変更を読み取ることができることである」(Day)。

「私たちの仕事の最もエキサイティングな可能性は、スケーラブルな数の量子ビットを作成すること。エミッタをリアルタイムで作成して評価する手段により、適切な特性を持つキャビティを選択し、それを量子情報のホストに確実に変換することがはるかに簡単になる」とDietz氏はコメントしている。

さらに、Huのチームは、彼らのアプローチはさまざまな基本的な質問に広く役立つ可能性があると話している。

「空洞内に欠陥を形成すると、それらの空洞を使用して、局所的な材料環境に関する情報を即座に伝えることができる。それを原子欠陥の特性を調べるための「ナノスコープ」として使用する。この新しいレーザスタイラスと、キャビティ共振を使用してリアルタイムのフィードバックを提供するテンプレートを組み合わせることで、デバイスをシームレスに作成および改善できる。これら2つのツールは、どちらかが単独で行うよりも強力である」。
(詳細は、https://seas.harvard.edu/)