Intégration hybride d’un nanodiamant de conception avec des circuits photoniques via des résonateurs en anneau. Crédit
Steven Burrows/Groupe Sun
La percée de JILA dans l’intégration d’atomes artificiels avec des circuits photoniques progresse l’informatique quantique efficacité et évolutivité.
Dans la science de l’information quantique, de nombreuses particules peuvent agir comme des « bits », depuis les atomes individuels jusqu’aux photons. Au JILA, les chercheurs utilisent ces bits comme « qubits », stockant et traitant les 1 ou les 0 quantiques via un système unique.
Alors que de nombreux boursiers JILA se concentrent sur les qubits trouvés dans la nature, tels que les atomes et les ions, Shuo Sun, chercheur associé JILA et professeur adjoint de physique à l’Université du Colorado à Boulder, adopte une approche différente en utilisant des « atomes artificiels » ou des nanocristaux semi-conducteurs dotés de propriétés électroniques uniques. . En exploitant la dynamique atomique à l’intérieur des cristaux de diamant fabriqués, des physiciens comme Sun peuvent produire un nouveau type de qubit, connu sous le nom de « qubit à l’état solide », ou un qubit artificiel. atome.
Circuits photoniques et défis d’intégration
Parce que ces atomes artificiels ne bougent pas, une façon de les laisser communiquer entre eux est de les placer dans un circuit photonique. Les photons voyageant à l’intérieur du circuit photonique peuvent connecter différents atomes artificiels. Comme l’air chaud se déplaçant dans un conduit d’air pour réchauffer une chambre froide, les photons se déplacent dans le circuit quantique pour induire des interactions entre les atomes artificiels. « Avoir une interface entre les atomes artificiels et les photons vous permet de contrôler avec précision les interactions entre deux atomes artificiels », a expliqué Sun.
Historiquement, l’intégration d’atomes artificiels dans des circuits photoniques a posé des problèmes. En effet, la création des atomes artificiels (où les atomes sont extraits d’un cristal de diamant) est un processus très aléatoire, conduisant à un placement aléatoire des atomes artificiels, à un nombre aléatoire d’atomes artificiels à chaque emplacement et à une couleur aléatoire émise par chaque atome artificiel.
À ce problème s’ajoute l’incompatibilité entre le matériau qui héberge les atomes artificiels et le matériau qui héberge le circuit photonique. Malgré des années de recherche, les scientifiques n’ont pas encore trouvé de matériau approprié pouvant accueillir les deux, ce qui rend l’intégration plus difficile.
Dans un nouveau Lettres nano Dans son article, Sun, son équipe de recherche et des collaborateurs de l’Université de Stanford ont proposé une nouvelle méthode qui ouvrirait la voie à la résolution de ces deux défis, permettant un circuit photonique quantique intégré plus complexe.
Cette nouvelle technique suggère des implications plus importantes pour l’avenir de la science de l’information quantique, notamment un moyen de faire évoluer les circuits. « Nous disposons désormais d’un moyen d’intégrer plusieurs atomes artificiels sur une seule puce photonique », a expliqué le premier auteur et étudiant diplômé du JILA, Kin Fung Ngan.
Combiner des diamants avec d’autres matériaux
Historiquement, le diamant a été un choix populaire pour héberger des atomes artificiels, car il est incroyablement pur avec une large bande interdite, permettant aux physiciens de mieux contrôler l’excitation de l’atome à l’intérieur du cristal.
« Nos qubits sont intégrés dans le diamant », a expliqué Ngan. « L’avantage ici est que nous n’avons besoin d’aucun appareil supplémentaire pour les maintenir dans l’espace. »
Cependant, l’inconvénient de l’utilisation d’un diamant comme hôte de qubit est qu’il est incroyablement difficile à sculpter, ce qui rend difficile la définition de circuits photoniques sur celui-ci. Il est également difficile d’obtenir un gros morceau de diamant, contrairement à d’autres matériaux photoniques tels que le nitrure de silicium, pour lesquels des tranches de huit pouces sont facilement disponibles.
Pour réaliser un grand circuit photonique quantique, les atomes artificiels à base de diamant doivent être placés à l’intérieur d’un circuit photonique basé sur un matériau différent, tel que le nitrure de silicium. Sun, Ngan et Yuan Zhan, étudiant diplômé de JILA, ont dû trouver des moyens d’intégrer les deux composants différents résidant dans des matériaux différents. « Si l’intégration n’a pas été réalisée correctement, vous risquez d’avoir un couplage plus faible entre l’atome et le photon ou une perte de photons lors de la transmission. Ces effets généreront des erreurs lorsque nous utiliserons des photons pour arbitrer les interactions entre deux atomes artificiels », a expliqué Sun.
Alors que des études précédentes tentaient de combiner les deux matériaux à l’aide de jonctions externes, les chercheurs ont adopté une approche différente en intégrant un morceau de diamant de taille nanométrique contenant l’atome artificiel directement à l’intérieur du circuit de nitrure de silicium. En utilisant une méthode de placement ultraprécise pour disposer les nanodiamants sur la puce, les chercheurs ont ajouté des nanodiamants contenant un atome artificiel à la puce, recouvert la totalité de la puce d’une couche de nitrure de silicium, puis fabriqué des circuits photoniques centrés autour de chaque atome. Ce processus assure le couplage maximal entre l’atome artificiel et le circuit photonique.
Test de la nouvelle configuration expérimentale
Après avoir intégré les atomes artificiels dans le circuit de nitrure de silicium, les chercheurs ont testé l’efficacité du couplage en excitant les atomes artificiels et en mesurant la lumière collectée par le circuit photonique. Leurs tests ont montré que la lumière brillait plus fort lorsque l’atome était placé à l’intérieur d’une cavité optique, révélant la capacité de coupler efficacement la lumière de l’atome artificiel au circuit photonique.
En plus de contribuer à une meilleure compatibilité, la technique de placement ultraprécis a permis aux chercheurs d’aligner plusieurs atomes artificiels d’affilée sur le même circuit, démontrant ainsi la flexibilité de leur procédé et sa capacité à héberger plusieurs qubits à la fois. Actuellement, Ngan, Zhan et d’autres chercheurs du JILA travaillent sur des techniques permettant de faire interagir ces atomes artificiels les uns avec les autres à l’aide de photons et d’enchevêtrer deux atomes artificiels à l’aide de photons.
Une dualité dans le design
Bien que ce circuit photonique quantique actuel exploite les photons comme médiateurs pour les interactions entre les atomes artificiels (ou qubits), les photons eux-mêmes peuvent également agir comme des qubits distincts au sein du système.
« Le circuit peut en effet fonctionner à deux fins », a expliqué Sun. « En intégrant des atomes artificiels dans un circuit quantique photonique, nous pouvons utiliser les atomes artificiels comme sources et mémoires de photons uniques, réduisant potentiellement les ressources nécessaires à la construction d’un processeur quantique photonique. »
La combinaison de la compatibilité des matériaux et de la dualité des qubits dans le système suggère que la conception du circuit de Sun pourrait avoir de grandes implications pour l’avenir de l’information quantique, offrant un moyen efficace de faire évoluer les systèmes photoniques quantiques intégrés.
