Formation et détection d'émetteurs optiques en temps réel

À la recherche de nouvelles techniques pour permettre la mise en réseau quantique, des chercheurs de l'Université de Harvard ont développé une nouvelle stratégie basée sur le laser pour créer des défauts de matériau à atome unique près de la surface, qui peuvent être utilisés pour former des qubits, les unités les plus fondamentales de l'informatique quantique. L'équipe a également découvert une méthode en temps réel pour mesurer et caractériser la formation d'émetteurs optiques dans des cavités nanométriques.

L'avancée, rapportée dans Nature Materials par Evelyn Hu et son équipe de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), pourrait permettre un meilleur contrôle de la synchronisation et de la force des sorties de qubit.

"Ce sont essentiellement des matériaux" défectueux "; il y a une absence d'atome, ou une lacune, dans une structure cristalline par ailleurs parfaite", explique Hu, auteur principal de l'article et professeur Tarr-Coyne de physique appliquée et de génie électrique à MERS. "Une vacance a ses propres états électroniques, elle a un certain spin et elle a le potentiel d'émettre des photons d'une longueur d'onde particulière."

Ces défauts et les longueurs d'onde de la lumière qu'ils émettent sont parfois appelés centres de couleur car ils peuvent donner aux diamants et autres cristaux de belles couleurs. Mais à l'intérieur d'une cavité nanométrique dans un matériau photonique - qui réfracte, contrôle ou manipule la lumière - ces défauts peuvent agir comme des émetteurs optiques d'informations.

"Notre équipe s'intéresse vraiment à la formation de ces défauts et à la manière dont ils pourraient se comporter comme des qubits dans un réseau quantique. Le couplage d'un réseau de défauts dans des cavités nanophotoniques via l'intrication permettrait la transmission d'informations quantiques", déclare Aaron Day, co-premier auteur du papier. Lui et l'autre co-premier auteur de l'article, Jonathan Dietz, sont tous deux titulaires d'un doctorat en physique appliquée. candidats dans le laboratoire de Hu.

Pourtant, jusqu'à présent, il n'existait aucun moyen de contrôler totalement l'emplacement exact des émetteurs optiques dans les cavités nanométriques sans endommager le reste de la structure cristalline du matériau.

En règle générale, le processus de création d'émetteurs dans des cavités comme celle-ci - 100 fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain - nécessite de perturber la structure cristalline d'un matériau à l'aide d'ions ou de lasers à bande interdite inférieure. (La bande interdite fait référence à la quantité minimale d'énergie requise pour exciter les électrons d'un matériau afin qu'ils puissent conduire librement le courant.) Mais l'équipement d'implantation d'ions n'est pas disponible dans la plupart des laboratoires. Et Hu dit que les deux techniques conventionnelles sont des utilisations "de force brute" de l'énergie cinétique qui sont inefficaces et difficiles à contrôler - plus comme le sablage que le forage soigneux.

"Pour faire ce que nous voulions faire, nous savions que nous devions développer des instruments extrêmement précis", explique Hu.

L'équipe compare leur solution à un stylet et à un gabarit, en utilisant un laser (le stylet qui écrit) et une cavité (le gabarit dans lequel on écrit) pour former et caractériser la formation de la vacance. "Nous voulions le faire en utilisant des impulsions de lumière au-dessus de la bande interdite" - contenant plus d'énergie photonique que les lasers en dessous de la bande interdite - "pour transférer plus efficacement l'énergie du" stylet "laser au" modèle "matériel", Day dit.

Tout d'abord, Day et Dietz ont fabriqué des dispositifs à cavité nanophotonique en carbure de silicium de qualité commerciale dans une salle blanche, une entreprise longue et laborieuse. Ensuite, ils ont mené des expériences pour tenter de créer des émetteurs optiques exactement là où ils le voulaient à l'intérieur des cavités.

"Au début, nos impulsions laser faisaient exploser nos cavités - les faisant exploser, en gros", explique Day, un résultat qui était loin d'être idéal. "Nous avions besoin de réduire considérablement l'énergie du laser."

Par essais et erreurs, ils ont déterminé la quantité d'énergie et la quantité d'énergie nécessaires pour créer l'émetteur souhaité tout en préservant le reste de la cavité sans provoquer d'"explosion". Ils ont également intégré à leur système un laser de « lecture » ​​supplémentaire, leur permettant d'évaluer la résonance, ou les signaux photoniques, émis par une cavité avant et après qu'elle ait été pulsée par le laser formant le défaut.

"L'une des choses les plus intéressantes que nous ayons trouvées est que nous pouvions surveiller la cavité, faire une impulsion laser pour créer l'émetteur optique, puis obtenir une lecture des changements immédiats de la cavité", explique Day.

"Le potentiel le plus excitant de notre travail réside dans la création d'un nombre évolutif de qubits. Un moyen de créer et d'évaluer des émetteurs en temps réel permet de choisir beaucoup plus facilement une cavité avec les bonnes propriétés et de la transformer de manière fiable en un hôte d'informations quantiques, " dit Dietz.

De plus, l'équipe de Hu affirme que leur approche pourrait être largement utile pour une série de questions fondamentales.

"Alors que nous formons des défauts dans les cavités, nous pouvons utiliser ces cavités pour nous donner instantanément des informations sur l'environnement matériel local - en l'utilisant comme un" nanoscope "pour sonder les caractéristiques des défauts atomiques", ajoute Day. "Combiner ce nouveau stylet laser avec le modèle d'utilisation des résonances de la cavité pour nous fournir une rétroaction en temps réel nous permet d'écrire et d'améliorer les appareils de manière transparente. Ces deux outils, ensemble, sont plus puissants que l'un d'eux ne le serait seul."

Madison Sutula et Matthew Yeh ont également co-écrit l'article.

Ce travail a été soutenu par le Science and Technology Center for Integrated Quantum Materials, (National Science Foundation grant no. DMR-1231319). Certains travaux ont été effectués au Harvard University Center for Nanoscale Systems, qui est soutenu par le prix NSF no. ECCS-2025158. Ce travail a également été soutenu par le prix NSF RAISE-TAQS no. 1839164, une bourse de recherche d'études supérieures en technologie spatiale de la NASA et le programme de bourses d'études supérieures en sciences et en génie de la Défense nationale du ministère de la Défense.

Les sujets:Physique Appliquée, Ingénierie Quantique

Inscrivez-vous à la liste de diffusion Harvard SEAS.

Professeur Tarr-Coyne de physique appliquée et de génie électrique

Paul Karoff

Images du 372e Harvard Commencement le jeudi 25 mai

Universitaires, Mathématiques appliquées, Physique appliquée, Bioingénierie, Informatique, Génie électrique, Sciences et génie de l'environnement, Science des matériaux et génie mécanique

Les sujets vont d'un vélo propulsé par de l'air comprimé à un satellite qui orbitera autour d'une lune de Jupiter

Universitaires, Physique appliquée, Récompenses, Bioingénierie, Génie électrique, Sciences et génie de l'environnement, Science des matériaux et génie mécanique, Optique / Photonique

La méthode peut représenter des hologrammes - visibles sous n'importe quel angle comme s'ils étaient physiquement présents - avec une profondeur continue

Physique appliquée