מרכזי צבע מרובי-ערוצים במערך חללים פוטוניים סיליקוני

אור שמתקשר עם ביטים קוונטיים

כדי לבנות "אינטרנט קוונטי" עתידי יהיה צורך במכשירים שיכולים לשתף מידע קוונטי עדין למרחקים ארוכים באמצעות חלקיקי אור. המאמר חוקר דרך חדשה לארוז מקורות אור קוונטיים זעירים רבים על שבב סיליקון — אותו חומר המשמש למעבדים יום-יומיים — כך שניתן יהיה להגיע אליהם ולשלוט בהם כולם דרך חיבור אופטי יחיד.

פגמים זעירים הפועלים כמו אטומים מלאכותיים

בתוך סיליקון טהור במיוחד, פגמים מסוימים שנוצרים במכוון, שנקראים מרכזי צבע, יכולים לכוד אלקטרונים בודדים ולהפיץ חלקיקי אור בודדים. הסוג שנחקר כאן, הידוע כ-T center, זורח באורכי גל בטלקום המשמשים ברשתות הסיבים של היום ויכול לאחסן מידע קוונטי בספין של האלקטרון לזמנים ארוכים. זה הופך את מרכזי ה-T לבוני יסוד אטרקטיביים למגביהי אותות קוונטיים — מכשירים שמרחיבים את טווח התקשורת הקוונטית. אך כל מרכז T עצמו חלש ואיטי בפליטת אור, מה שהופך את בניית קישורים מהירים ויעילים לאתגר.

לעזור לפגמים לזרוח יותר עם חללים זעירים

החוקרים מגבירים את הבהירות של מרכזי T על ידי הצבתם בתוך חללים אופטים מיקרוסקופיים — אזורים מנוצבים בננו שתופסים אור ומעודדים את הפגם לפלוט פוטונים מהר יותר ובכיוון מועדף. החללים מסודרים בשורה לצד "אב" גל-מדריך יחיד, מסלול צר הנושא אור לאורך השבב. במקום צורך בחיבור נפרד לכל חלל, קלט ויציאה יחידים יכולים להגיע לכל החללים דרך האב המשותף הזה, מה שמקל משמעותית על אפשרות קנה המידה של המערכת.

תכנות מקורות אור רבים דרך ערוץ אחד

כדי להפוך את המבנה לפלטפורמה גמישה, הצוות מפתח שיטה "לכוונן" את הצבע של כל חלל לאחר הייצור. הם מצפים את השבב בשכבה דקה של חנקן קפוא, שמזיז את כל צבעי החללים לאורך גל ארוך יותר. לאחר מכן, על ידי הקרנת אור לייזר לתוך האב בתדר מתאים, הם מחממים באופן מקומי חללים נבחרים כך שהחנקן יתאייד רק שם, וידחוף את אותם חללים חזרה לעבר אורכי גל קצרים יותר. זה מאפשר להם לכוון כל חלל בנפרד במערך. באמצעות גישה זו הם מיישרים מספר חללים עם מרכזי T שונים ומדגימים ששני פגמים נפרדים במיקומים שונים יכולים להיות משופרים ומונעים במקביל דרך אותו אב. על ידי החלפה מהירה של צבע לייזר ההנעה, הם מרבים-מזמינים (time-multiplex) פוטונים יחידים משני המרכזים לזרם פלט יחיד תוך אישור שכל אחד מהם עדיין מתנהג כמקור פוטון-יחיד איכותי.

חללים שמשתפים פעולה למרחק

מכיוון שכל החללים משותפים לאותו אב, הם יכולים גם לתקשר זה עם זה דרך האור שנדלף לתוך גל-המדריך והשתקף מהמראת הסיום. כאשר שני חללים מכוונים לצבע קרוב, התהודות שלהם היברידיות, ויוצרות מצבים משותפים "בוהק" ו"כהה" המתפרסים על שני המיקומים. המצב הבוהק מזוהה בקשר חזק לאב ומאבד אנרגיה במהירות, בעוד שהמצב הכהה מבודד יותר ובעל חיי אחסון ארוכים יותר. הקבוצה מודדת כיצד מצבים היברידיים אלו מופיעים בהחזרה מהשבב ומשתמשת במודל אנליטי כדי להפיק את עוצמות החליפין הקוהרנטי של האור בין החללים ואת אובדן האנרגיה המשותף שלהם לאב. על ידי הצבת מרכז T יחיד באחד מהחללים המתקשרים, הם מראים כי משך חיי הפליטה שלו משתנה באופן עדין וחיזוי כאשר המצבים ההיברידיים עוברים בו מבחינת צבע, ולאשר כי מפיץ יחיד יכול להיות משופר על ידי מוד אופטי מפוזר שמקיף שני חללים מרוחקים.

דרך לקראת רשת קוונטית ניתנת להגדלה

לבסוף, המחברים דנים במה שנדרש כדי להפוך סוג זה של מכשיר לבניין יסודי אמיתי לרשתות קוונטיות גדולות. כיום, מספר מרכזי ה-T שניתן להפעיל במקביל מוגבל על ידי כמה בצריפות ניתן להגדיר כל חלל מבחינת צבע ועל ידי הפיזור בתדירויות מרכזי ה-T בחומר. הם מסכמים שיפורים ריאליסטיים — חללים חדים יותר, מפיצים נקיים וממוקמים ביתר דיוק, ושליטה נוספת באמצעות עיוותים או שדות חשמליים — שיכולים לאפשר עשרות מרכזי T לכל גל-מדריך לפעול בו-זמנית. עם שיפור בקישור אור–חומר, מערכים אלו לא רק יוכלו לשלוח פוטונים יחידים ביעילות לאורך קישורים ארוכים בסיבים, אלא גם לייצר שזור ישירות בין פגמים על אותו שבב, ובכך לקרב את חזון מעבדי קוונטים מודולריים וסיליקוניים והמגביהים הקוונטיים לממשות.

ציטוט: Lukasz Komza, Xueyue Zhang, Hanbin Song, Yu-Lung Tang, Xin Wei, and Alp Sipahigil, "Multiplexed color centers in a silicon photonic cavity array," Optica 12, 1400-1405 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.564691

מילות מפתח: רשתות קוונטיות, פוטוניקה סיליקונית, מרכזי צבע, מקורות פוטון יחיד, אורכי גל בטלקום