اپتیک و کوانتوم

در چند سال گذشته، محققان نقایصی را در سیلیکون کشف کرده اند که می تواند برای ارسال و ذخیره اطلاعات کوانتومی بر روی طول موج های مخابراتی پرکاربرد استفاده شود. آیا این نقص در سیلیکون می تواند بهترین انتخاب در میان همه گزینه های امیدوارکننده برای میزبانی کیوبیت برای ارتباطات کوانتومی باشد؟

اگرچه نقص‌های گزینه جدید یک پلتفرم حافظه کوانتومی امیدوارکننده هستند، اغلب تقریباً هیچ چیز در مورد اینکه چرا دستور العمل‌های خاصی برای ایجاد آنها استفاده می‌شود و چگونه می‌توانید آنها و تعاملات آنها را حتی در مجموعه‌ها مشخص کنید، وجود ندارد. و در نهایت، چگونه می‌توانیم رفتار آن‌ها را طوری تنظیم کنیم که ویژگی‌های یکسانی از خود نشان دهند؟ اگر می‌خواهیم دنیای گسترده‌ای از امکانات فناوری بسازیم، باید راه‌هایی برای توصیف بهتر، سریع‌تر و کارآمدتر داشته باشیم.» اکنون، هو و تیمی از محققان پلتفرمی را برای کاوش، برهمکنش و کنترل این سیستم‌های کوانتومی بالقوه قدرتمند ایجاد کرده‌اند. این دستگاه از یک دیود الکتریکی ساده، یکی از رایج ترین اجزای تراشه های نیمه هادی، برای دستکاری کیوبیت ها در یک ویفر سیلیکونی تجاری استفاده می کند. با استفاده از این دستگاه، محققان توانستند چگونگی واکنش این نقص به تغییرات میدان الکتریکی، تنظیم طول موج آن در باند مخابراتی و حتی روشن و خاموش کردن آن را بررسی کنند.

یکی از هیجان‌انگیزترین چیزها در مورد داشتن این نقص‌ها در سیلیکون این است که می‌توانید از دستگاه‌های کاملاً درک شده مانند دیودها در این ماده آشنا برای درک یک سیستم کوانتومی کاملاً جدید استفاده کنید و کار جدیدی با آن انجام دهید. در حالی که تیم تحقیقاتی از این رویکرد برای مشخص کردن عیوب سیلیکون استفاده کردند، می‌توان از آن به عنوان یک ابزار تشخیصی و کنترلی برای عیوب در سایر سیستم‌های مواد استفاده کرد. این تحقیق در Nature Communications منتشر شده است. نقص‌های کوانتومی، که به‌عنوان مراکز رنگ یا گسیل‌کننده‌های کوانتومی نیز شناخته می‌شوند، نقص‌هایی در شبکه‌های کریستالی کامل هستند که می‌توانند تک الکترون‌ها را به دام بیندازند. هنگامی که آن الکترون ها با لیزر برخورد می کنند، فوتون هایی را در طول موج های خاص ساطع می کنند. نقایص سیلیکونی که محققان برای ارتباطات کوانتومی بیشتر به آن علاقه مند هستند، به نام مراکز G و T شناخته می شوند. وقتی این نقص‌ها الکترون‌ها را به دام می‌اندازند، الکترون‌ها فوتون‌هایی را در طول موجی به نام باند O منتشر می‌کنند که به طور گسترده در ارتباطات از راه دور استفاده می‌شود. در این تحقیق، تیم بر نقص های مرکز G متمرکز شد. اولین چیزی که آنها باید بفهمند این بود که چگونه آنها را بسازند. برخلاف دیگر انواع عیوب، که در آن یک اتم از یک شبکه کریستالی حذف می‌شود، نقص‌های مرکز G با افزودن اتم‌ها به شبکه، به‌ویژه کربن، ایجاد می‌شوند. اما هو، دی و بقیه تیم تحقیقاتی دریافتند که افزودن اتم‌های هیدروژن نیز برای ایجاد مداوم این نقص حیاتی است. در مرحله بعد، محققان دیودهای الکتریکی را با استفاده از یک رویکرد جدید ساختند که به طور بهینه نقص را در مرکز هر دستگاه بدون کاهش عملکرد یا نقص یا دیود ساندویچ می کند.

روش ساخت می تواند صدها دستگاه با نقص های جاسازی شده در یک ویفر تجاری ایجاد کند. با اتصال کل دستگاه برای اعمال یک ولتاژ یا میدان الکتریکی، تیم دریافتند که وقتی ولتاژ منفی در دستگاه اعمال می‌شود، نقص‌ها خاموش شده و تاریک می‌شوند. دی گفت: "درک اینکه چه زمانی تغییر در محیط منجر به از دست دادن سیگنال می شود برای مهندسی سیستم های پایدار در برنامه های شبکه مهم است." محققان همچنین دریافتند که با استفاده از یک میدان الکتریکی موضعی، می‌توانند طول موج‌های ساطع شده از این نقص را تنظیم کنند، که برای شبکه‌های کوانتومی در زمانی که سیستم‌های کوانتومی متفاوت نیاز به تراز کردن دارند، مهم است. این تیم همچنین یک ابزار تشخیصی برای تصویربرداری از چگونگی تغییر میلیون‌ها نقص تعبیه‌شده در دستگاه در فضا با اعمال میدان الکتریکی ایجاد کردند. دی گفت: «ما دریافتیم که روشی که ما در حال اصلاح محیط الکتریکی برای نقص‌ها هستیم، دارای مشخصات فضایی است و می‌توانیم با دیدن تغییرات شدت نور ساطع شده توسط این نقص‌ها، مستقیماً از آن تصویربرداری کنیم. "با استفاده از تعداد زیادی امیتر و بدست آوردن آمار عملکرد آنها، ما اکنون درک خوبی از نحوه پاسخ عیوب به تغییرات در محیط خود داریم. ما می توانیم از این اطلاعات برای اطلاع از نحوه ساخت بهترین محیط برای این نقص ها در دستگاه های آینده استفاده کنیم.

More information: Aaron M. Day et al, Electrical manipulation of telecom color centers in silicon, Nature Communications (2024)