Учёные создали трёхкубитный квантовый регистр на кремниевом фотонном чипе

Их статья, опубликованная в Nature Nanotechnology, может открыть новые возможности для развития квантовых технологий, основанных на кремнии — наиболее широко используемом материале в электронной промышленности.

«Кремниевый Т-центр — это новый спин-фотонный интерфейс, который сочетает в себе оптические переходы в телекоммуникационном О-диапазоне со спиновыми кубитами, демонстрирующими время когерентности в миллисекундном диапазоне», — рассказала Phys.org Ханбин Сонг, ведущий автор статьи.

«Будучи точечным дефектом в кремнии, Т-центр обладает потенциалом для масштабирования за счёт использования высокопроизводительной электронно-фотонной интеграции, доступной в кремнии. В этой работе мы демонстрируем внутричиповое управление трёхкубитным регистром с временем когерентности до ~100 мс с помощью одного Т-центра, интегрированного в оптический волновод».

В рамках своего исследования ученые продемонстрировали потенциал T-центров для размещения нескольких кубитов и создания узлов памяти с несколькими кубитами. Они хотели показать, что эти дефекты в кремнии могут сохранять превосходную квантовую когерентность между кубитами, что приводит к созданию высокоэффективных фотонных квантовых устройств.

Для этого они сначала создали в кремнии Т-центры — крошечные светоизлучающие дефекты — с помощью метода, известного как ионная имплантация. Этот метод, по сути, заключается в бомбардировке твёрдого тела электрически заряженными атомами (то есть ионами), которые внедряются в его структуру.

После имплантации ионов в кремний они нагрели полученный чип с помощью метода, известного как быстрый термический отжиг. Этот метод, основанный на нагреве, позволяет атомам слегка смещаться внутри материала и в конечном счёте занимать более стабильные положения, образуя Т-центры. Наконец, команда создала на чипе крошечные оптические и электрические структуры с помощью литографии — широко распространённого метода, который позволяет производителям электроники создавать на чипах нужные узоры.

«Фотонная интеграция эффективно связывает фотолюминесценцию T-центра с оптическим волокном для сбора фотонов, а металлические дорожки обеспечивают внутричиповое управление спином, — объяснила Сонг. — Мы добились когерентного управления регистром из трёх кубитов на компактной платформе, интегрированной в устройство».

Примечательно, что этот новый мультикубитный регистр изготовлен из кремния и может быть создан с использованием промышленных технологий. В будущем его можно будет масштабировать для создания более крупных систем квантовой связи и обработки информации, состоящих из ещё большего количества кубитов