Мультиплексированные центры свечения в массиве кремниевых фотонных резонаторов

Свет, который общается с квантовыми битами

Создание будущего «квантового интернета» потребует устройств, способных передавать хрупкую квантовую информацию на большие расстояния с помощью частиц света. В этой статье рассматривается новый подход к размещению множества крошечных квантовых источников света на кремниевой микросхеме — том же материале, что используется в обычных процессорах — так чтобы все они были доступны и управляемы через одно оптическое соединение.

Крошечные дефекты, которые ведут себя как искусственные атомы

В ультра‑чистом кремнии некоторые специально создаваемые дефекты, называемые цветовыми центрами, могут фиксировать отдельные электроны и испускать одиночные фотоны. Тип, изучаемый здесь и известный как T‑центр, излучает в телекоммуникационных диапазонах, используемых в современных волоконных сетях, и может хранить квантовую информацию в спине электрона длительное время. Это делает T‑центры привлекательными элементами для квантовых ретрансляторов — устройств, удлиняющих дальность квантовой связи. Однако каждый T‑центр по одиночке излучает слабо и медленно, что затрудняет создание быстрых и эффективных каналов связи.

Помощь дефектам: усиление излучения с помощью нанорезонаторов

Исследователи повышают яркость T‑центров, помещая их в микроскопические оптические резонаторы — наноструктурированные области, которые удерживают свет и стимулируют дефект испускать фотоны быстрее и в предпочтительном направлении. Эти резонаторы расположены в ряд рядом с одним «магистральным» волноводом, узкой линией, по которой свет проходит по чипу. Вместо того чтобы соединять каждый резонатор отдельным каналом, один вход и один выход могут достичь всех резонаторов через общую магистраль, что значительно упрощает масштабирование системы.

Программирование множества источников света через один канал

Чтобы превратить эту структуру в гибкую платформу, команда разработала метод «настройки» цвета каждого резонатора после изготовления. Они покрывают чип тонким слоем замороженного азота, который сдвигает все резонансные частоты резонаторов в сторону более длинных волн. Затем, посылая лазерный свет в магистраль на точно выбранной частоте, они локально нагревают отдельные резонаторы так, что азот испаряется лишь в этих местах, возвращая резонаторы к более коротким длинам волн. Это позволяет по‑отдельности подстраивать цвета резонаторов в массиве. С помощью этого подхода они выравнивают несколько резонаторов под разные T‑центры и демонстрируют, что два отдельных дефекта в разных местах можно усиливать и возбуждать параллельно через ту же магистраль. Быстро переключая длину волны управляющего лазера, они временно мультиплексируют одиночные фотоны от обоих центров в единый выходной поток, одновременно подтверждая, что каждый из них по‑прежнему ведет себя как качественный источник одиночных фотонов.

Резонаторы, которые взаимодействуют на расстоянии

Поскольку все резонаторы связаны общей магистралью, они также могут взаимодействовать друг с другом через свет, утекающий в волновод и отражающийся от торцевого зеркала. Когда два резонатора настроены на близкие частоты, их резонансы гибридизуются, образуя общие «яркие» и «тёмные» моды, распространённые по обоим местам. Яркая мода сильно связана с магистралью и быстро теряет энергию, тогда как тёмная мода более изолирована и живёт дольше. Команда измеряет, как эти гибридные моды проявляются в отражённом сигнале от чипа, и использует аналитическую модель для оценки сил когерентного обмена света между резонаторами и их совместных потерь энергии в магистраль. Поместив один T‑центр в один из взаимодействующих резонаторов, они показывают, что время жизни его излучения изменяется тонким, предсказуемым образом по мере того, как гибридные моды проходят по цвету, подтверждая, что одиночный эмиттер может быть усилен делокализованной оптической модой, охватывающей два удалённых резонатора.

Путь к масштабируемой квантовой сети

Наконец, авторы обсуждают, что необходимо для превращения такого устройства в реальный строительный блок крупных квантовых сетей. В настоящее время число T‑центров, которые можно эксплуатировать параллельно, ограничено тем, насколько узко можно определить цвет каждого резонатора и разбросом частот T‑центров в материале. Они намечают реалистичные улучшения — более острые резонансы, чище и точнее размещённые эмиттеры, а также дополнительное управление с помощью деформации (strain) или электрических полей — которые могли бы позволить десяткам T‑центров работать одновременно на одном волноводе. С улучшенным свет‑взаимодействием такие массивы могли бы не только эффективно передавать одиночные фотоны по длинным волоконным каналам, но и непосредственно генерировать запутанность между дефектами на одном чипе, приближая реализацию модульных кремниевых квантовых процессоров и квантовых ретрансляторов к реальности.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовые сети, кремниевая фотоника, цветовые центры, источники одиночных фотонов, телекоммуникационные длины волн