Кремний оказался очень ценным и надежным материалом для изготовления различных технологий, в том числе квантовых устройств. В последние годы исследователи также изучают возможные преимущества использования отдельных искусственных атомов для повышения производительности интегральных квантовых схем на основе кремния. Однако до сих пор отдельные кубиты с оптическим интерфейсом оказалось трудно выделить в кремнии.

Исследователи из Университета Монпелье и CNRS, Лейпцигского университета и других университетов Европы недавно впервые успешно выделили одиночные оптически активные искусственные атомы в кремнии. Их работа, опубликованная в журнале Nature Electronics, может иметь важное значение для разработки новых устройств квантовой оптики на основе кремния.

"Наше исследование родилось из желания изолировать новые отдельные искусственные атомы с телекоммуникационным оптическим интерфейсом в материале, пригодном для крупномасштабных промышленных процессов",-сказал TechXplore доктор эау Анаис, один из исследователей, проводивших это исследование. "Мы привыкли исследовать эти квантовые системы, но в широкополосных полупроводниках, таких как алмаз или гексагональный нитрид бора. Несмотря на то, что кремний является наиболее распространенным материалом в микроэлектронной промышленности, до сих пор не было зарегистрировано ни одного излучателя света в этом полупроводнике с малой полосой пропускания."

Недавняя работа доктора эау и ее коллег показывает, что выделение одиночных флуоресцентных искусственных атомов в кремнии действительно возможно. Отдельные фотоны, испускаемые полученным устройством, работают на телекоммуникационных длинах волн, которые особенно благоприятны для достижения распространения на большие расстояния в оптических волокнах.

Чтобы эффективно изолировать отдельные искусственные атомы в кремнии, исследователи использовали уникальную стратегию. Их стратегия сочетает в себе концепции из области материаловедения с конкретной экспериментальной установкой, оптимизированной для обнаружения одиночных излучателей ближнего инфракрасного диапазона.

"Мы начали с пластины кремния на изоляторе, в которой мы создали низкую концентрацию флуоресцентных дефектов путем имплантации атомов углерода",-сказал доктор эау. "Во-вторых, мы построили новый эксперимент конфокальной микроскопии, работающий при низкой температуре (10К, -263°с) с высоким пространственным разрешением и высокой чувствительностью в ближнем инфракрасном диапазоне, позволяющий обнаруживать очень слабый оптический сигнал, излучаемый отдельными оптически активными точечными дефектами."

Пластины кремния на изоляторе обладают рядом преимуществ, наиболее заметным из которых является то, что они могут быть непосредственно использованы для изготовления высококачественных фотонных чипов. Включение отдельных оптически активных точечных дефектов в эти чипы может в конечном итоге позволить создать более комплексные или универсальные инструменты квантовой оптики и фотоники.

"Мы были первыми, кто выделил однофотонные излучатели в самом распространенном материале микроэлектроники-кремнии", - сказал доктор эау. "Кроме того, эти искусственные атомы, основанные на единичных флуоресцентных точечных дефектах, имеют большое преимущество в излучении однофотонов непосредственно на телекоммуникационной длине волны, что удобно для распространения на большие расстояния внутри оптических волокон."

В будущем стратегия выделения одиночных искусственных атомов в кремнии, предложенная доктором эау и ее коллегами, может помочь в разработке целого ряда новых технологий. Например, это может способствовать разработке интегрированных инструментов квантовой фотоники, в которых оптически активные дефекты, непосредственно встроенные в кремниевые квантовые чипы, могут генерировать фотонные квантовые биты и, таким образом, обрабатывать квантовую информацию.

Кроме того, исследование может стать первым шагом к обнаружению дополнительной квантовой степени свободы, связанной со спином электрона встроенного дефекта. В будущем связь излучения одиночных телекоммуникационных фотонов со спиновым управлением может позволить разработать квантовый спин-фотонный интерфейс для обмена квантовой информацией на больших расстояниях.

"Теперь мы планируем включить отдельные флуоресцентные дефекты, которые мы выделили в наноструктурах на основе кремния, таких как волноводы, и контролировать их однофотонное излучение, чтобы обеспечить реализацию алгоритмов квантовой фотоники",-сказал доктор эау. "Мы также хотим заняться контролем спина электрона, связанного с этими искусственными атомами, поскольку он может быть использован для реализации квантовой памяти. В долгосрочной перспективе наша цель-разработать квантовый спин-фотонный интерфейс на основе Си, работающий на телекоммуникационной длине волны, для применения в квантовых сетях связи."

ИСТОЧНИК