Исследовательский центр QuTech, созданный Делфтским техническим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований TNO, продемонстрировал эффективный и когерентный интерфейс свет-вещество, соединяющий квантовые излучатели на основе олово-вакансионных центров окраски в алмазе с фотонами в нанооптической полости. Результат, полученный под руководством профессора Рональда Хэнсона, опубликован в журнале Physical Review X. Исследовательская группа достигла когерентной кооперативности олово-вакансионных центров окраски более 1 в алмазной фотонно-кристаллической полости. Этот показатель означает, что полезные когерентные квантовые взаимодействия могут подавлять декогерентный шум, что обеспечивает экспериментальную основу для более надежного «рукопожатия» между твердотельными кубитами и летающими фотонными кубитами.
Олово-вакансионный центр окраски — это искусственный дефект в кристаллической решетке алмаза, образованный комбинацией атома олова и вакансии углерода. Он ведет себя как атомоподобная квантовая система, встроенная в твердое тело, способная как нести квантовую информацию, так и взаимодействовать со светом.
Квантовый интернет и модульные квантовые вычисления требуют соединения двух типов квантовых носителей: твердотельных материальных кубитов на чипе для хранения и обработки информации и фотонных кубитов для передачи квантовых состояний между различными узлами. Сложность заключается в том, что твердотельные дефекты подвержены влиянию шума окружающего материала, а фотоны должны взаимодействовать с излучателем с высокой точностью за очень короткое время. Обычное усиление люминесценции указывает лишь на более яркое излучение, но не гарантирует когерентности, необходимой для квантовых протоколов. В этой работе QuTech встроил олово-вакансионные центры окраски в алмазную фотонно-кристаллическую полость, что позволило нанополости сконцентрировать световое поле в области дефекта, усилив взаимодействие между одиночным квантовым излучателем и фотонами, и подтвердил когерентную кооперативность более 1 с помощью измерения ширины линии.
«Более 1» соответствует важному экспериментальному порогу. Это указывает на то, что сила когерентной связи уже достаточна для подавления влияния декогерентности окружающей среды, и система начинает входить в рабочий режим, более подходящий для передачи квантовых состояний и генерации удаленной запутанности.
Исследовательская группа также продемонстрировала признаки масштабируемости изготовления устройств. Они измерили 327 алмазных нанофотонных устройств на двух чипах, получив высокий средний коэффициент добротности и хороший выход устройств; в двух ключевых устройствах олово-вакансионные центры окраски, связанные с полостью, значительно усилили фотонное излучение в целевой оптической моде. Как сообщается на сайте QuTech, когда оптическая полость настроена в резонанс с олово-вакансионным центром окраски, одиночный квантовый излучатель может сильно модулировать проходящий через полость свет, почти полностью блокируя передачу света через полость. Это демонстрирует, что одиночный твердотельный квантовый излучатель уже способен оказывать сильное управляющее воздействие на световое поле на уровне одиночных фотонов, обеспечивая основу для будущего соединения нескольких квантовых узлов в сеть.
Область применения этого результата сосредоточена на квантовых сетях. Будущие квантовые узлы должны будут выполнять локальное квантовое хранение и обработку, а затем отправлять квантовую информацию на удаленные узлы через фотоны, формируя удаленную запутанность и распределенные квантовые вычислительные связи.
Преимущество подхода с использованием алмазных центров окраски заключается в возможности твердотельной интеграции и потенциале оптического интерфейса. Олово-вакансионные центры окраски, по сравнению с некоторыми другими типами центров окраски, обладают хорошими оптическими и спиновыми свойствами, что делает их подходящими для создания чиповых устройств, ориентированных на квантовые сети. Нанооптическая полость выполняет роль «усилителя взаимодействия», сжимая изначально слабое взаимодействие излучатель-фотон в оптическую моду меньшего объема и с более высокой напряженностью поля. После того как когерентная кооперативность превысила 1, последующие исследования могут быть направлены на генерацию удаленной запутанности, квантовые ретрансляционные узлы, взаимосвязь модульных квантовых процессоров и квантовые фотонные интерфейсы на чипе. Рональд Хэнсон также отметил в материалах QuTech, что этот результат способствует более быстрой и надежной генерации запутанности между удаленными узлами и имеет значение для сотрудничества QuTech с Fujitsu в области модульных квантовых вычислений.
В области инженерии остается ряд сложных задач, которые необходимо решить. Квантовые сети требуют большого количества устройств с одинаковыми характеристиками; выдающиеся показатели отдельных образцов должны быть преобразованы в возможности массового производства, стабильной настройки, низкотемпературной работы, волоконно-оптического сопряжения, долгосрочной надежности и системного управления. Частотное согласование олово-вакансионных центров окраски с фотонно-кристаллической полостью, контроль положения дефектов, подавление повреждений материала, управление декогерентным шумом и взаимосвязь нескольких узлов будут влиять на последующий масштаб системы. Результаты измерений 327 устройств, представленные QuTech, дают положительный сигнал для масштабируемого производства; превышение когерентной кооперативности более 1 переводит возможности устройств от стадии «более яркого светоизлучающего интерфейса» к стадии «интерфейса, способного выполнять высокоточные квантовые протоколы».
Это исследование нидерландского QuTech знаменует собой шаг вперед для квантового фотонного интерфейса на основе олово-вакансионных центров окраски в алмазе на пути к практическим квантовым сетям. Оно решает не просто проблему эффективности излучения света, а вопрос о том, могут ли твердотельные кубиты и летающие фотоны осуществлять надежное квантовое взаимодействие в условиях низкого шума. По мере того как квантовые вычисления переходят от одночиповой архитектуры к модульной, а квантовый интернет — от экспериментальных линий к многоузловым сетям, такие эффективные, когерентные и масштабируемые интерфейсы свет-вещество станут ключевым элементом базового аппаратного обеспечения.