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Dec 18, 2023

실시간으로 광학 방출체 형성 및 감지

양자 네트워킹을 가능하게 하는 새로운 기술을 찾고 있는 하버드 대학교

양자 네트워킹을 가능하게 하는 새로운 기술을 모색하는 하버드 대학교 연구원들은 양자 컴퓨팅의 가장 기본 단위인 큐비트를 형성하는 데 사용할 수 있는 단일 원자, 표면 근처 재료 결함을 생성하기 위한 새로운 레이저 기반 전략을 개발했습니다. 연구팀은 또한 나노 규모 공동 내에서 광학 방출체의 형성을 측정하고 특성화하기 위한 실시간 방법을 발견했습니다.

Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)의 Evelyn Hu와 그녀의 팀이 Nature Materials에 보고한 이러한 발전은 큐비트 출력의 타이밍과 강도를 더 잘 제어할 수 있게 해줍니다.

"이것들은 본질적으로 '결함이 있는' 재료입니다. 완벽한 결정 구조에 원자나 빈 공간이 없습니다."라고 논문의 수석 저자이자 응용 물리학 및 전기 공학과 Tarr-Coyne 교수인 Hu는 말했습니다. 바다. "공석에는 고유한 전자 상태가 있고 특정 스핀이 있으며 특정 파장의 광자를 방출할 가능성이 있습니다."

이러한 결함과 이들이 방출하는 빛의 파장은 다이아몬드와 기타 결정에 아름다운 색상을 부여할 수 있기 때문에 색상 중심이라고도 합니다. 그러나 빛을 굴절, 제어 또는 조작하는 광자 물질의 나노 크기 공동 내부에서 이러한 결함은 정보의 광학 방출기처럼 작용할 수 있습니다.

"우리 팀은 이러한 결함의 형성과 양자 네트워크에서 큐비트로 어떻게 작동할 수 있는지에 정말 관심이 있습니다. 얽힘을 통해 나노포토닉 공동의 결함 배열을 결합하면 양자 정보를 전송할 수 있습니다."라고 공동 최초의 Aaron Day는 말합니다. 논문의 저자. 그와 논문의 다른 공동 저자인 Jonathan Dietz는 둘 다 응용물리학 박사입니다. Hu 연구실의 후보자들.

그러나 지금까지는 재료의 결정 구조의 나머지 부분을 손상시키지 않고 나노 크기 공동에서 광학 방사체의 정확한 위치를 완전히 제어할 수 있는 방법이 없었습니다.

일반적으로 인간 머리카락 너비보다 100배 작은 공동 내에서 방출기를 생성하는 프로세스에서는 이온 또는 밴드갭 미만 레이저를 사용하여 재료의 결정 구조를 파괴해야 합니다. (밴드 갭은 물질의 전자를 여기시켜 전류를 자유롭게 전도할 수 있도록 하는 데 필요한 최소한의 에너지 양을 나타냅니다.) 그러나 이온 주입 장비는 대부분의 실험실에서 사용할 수 없습니다. 그리고 Hu는 두 가지 기존 기술이 모두 비효율적이고 제어하기 어려운 운동 에너지를 "무차별적으로" 사용하는 것이라고 말합니다. 이는 주의 깊은 드릴링보다는 샌드블래스팅에 더 가깝습니다.

Hu는 "우리가 하고 싶은 일을 하려면 매우 정밀한 도구를 개발해야 한다는 것을 알고 있었습니다"라고 말했습니다.

팀은 레이저(글을 쓰는 스타일러스)와 캐비티(글을 쓰는 템플릿)를 사용하여 공극 형성을 형성하고 특성화하는 방식으로 솔루션을 스타일러스와 템플릿에 비유합니다. "우리는 밴드갭 아래 레이저보다 더 많은 광자 에너지를 포함하는 밴드갭 위의 빛 펄스를 사용하여 이 작업을 수행하고 싶었습니다." "레이저 '스타일러스'에서 재료 '템플릿'으로 에너지를 보다 효율적으로 전달하기 위해" Day 말한다.

첫째, Day와 Dietz는 클린룸에서 상업용 등급의 ​​탄화규소로 나노광자 공동 장치를 제작했는데, 이는 시간이 많이 걸리고 힘든 노력이었습니다. 그런 다음 그들은 공동 내부에서 원하는 위치에 정확히 광학 방출기를 만드는 실험을 실행했습니다.

"처음에는 레이저 펄스가 우리의 공동을 폭파시켰습니다. 기본적으로 공동을 폭발시켰습니다."라고 Day는 말합니다. 결과는 이상적이지 않았습니다. "우리는 레이저 에너지를 극적으로 줄여야 했습니다."

시행착오를 통해 그들은 "폭발"을 일으키지 않고 캐비티의 나머지 부분을 보존하면서 원하는 이미터를 생성하는 데 얼마나 많은 에너지가 필요한지 결정했습니다. 그들은 또한 시스템에 추가 "판독" 레이저를 내장하여 결함 형성 레이저에 의해 펄스되기 전과 후에 공동에서 방출되는 공명 또는 광 신호를 평가할 수 있었습니다.

Day는 "우리가 발견한 가장 멋진 점 중 하나는 공동을 모니터링하고 하나의 레이저 펄스를 사용하여 광학 방출기를 생성한 다음 공동에 대한 즉각적인 변화를 판독할 수 있다는 것입니다."라고 Day는 말합니다.