Formación y detección de emisores ópticos en tiempo real

En busca de nuevas técnicas para permitir la creación de redes cuánticas, los investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado una nueva estrategia basada en láser para crear defectos materiales cercanos a la superficie de un solo átomo, que pueden usarse para formar qubits, las unidades más fundamentales de la computación cuántica. El equipo también descubrió un método en tiempo real para medir y caracterizar la formación de emisores ópticos dentro de cavidades a nanoescala.

El avance, informado en Nature Materials por Evelyn Hu y su equipo en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, podría permitir un mejor control sobre el tiempo y la fuerza de los resultados de qubit.

"Estos son esencialmente materiales 'defectuosos'; hay una ausencia de un átomo, o una vacante, en una estructura cristalina perfecta", dice Hu, autor principal del artículo y profesor Tarr-Coyne de Física Aplicada e Ingeniería Eléctrica en MARES. "Una vacante tiene sus propios estados electrónicos, tiene un cierto giro y tiene el potencial de emitir fotones de una longitud de onda particular".

Estos defectos y las longitudes de onda de la luz que emiten a veces se denominan centros de color porque pueden dar a los diamantes y otros cristales hermosos colores. Pero dentro de una cavidad a nanoescala en un material fotónico, que refracta, controla o manipula la luz, estos defectos pueden actuar como emisores ópticos de información.

"Nuestro equipo está realmente interesado en la formación de estos defectos y en cómo podrían comportarse como qubits en una red cuántica. El acoplamiento de una serie de defectos en las cavidades nanofotónicas a través del entrelazamiento permitiría la transmisión de información cuántica", dice Aaron Day, uno de los primeros autor del artículo. Él y el otro coautor del artículo, Jonathan Dietz, tienen un doctorado en física aplicada. candidatos en el laboratorio de Hu.

Sin embargo, hasta ahora, no ha habido forma de controlar totalmente la ubicación exacta de los emisores ópticos en las cavidades a nanoescala sin dañar el resto de la estructura cristalina del material.

Por lo general, el proceso para crear emisores dentro de cavidades como esta, 100 veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano, requiere alterar la estructura cristalina de un material utilizando iones o láseres de banda prohibida. (La brecha de banda se refiere a la cantidad mínima de energía requerida para excitar los electrones de un material para que puedan conducir la corriente libremente). Pero el equipo de implantación de iones no está disponible en la mayoría de los laboratorios. Y Hu dice que ambas técnicas convencionales son usos de "fuerza bruta" de energía cinética que son ineficientes y difíciles de controlar, más como un chorro de arena que una perforación cuidadosa.

"Para hacer lo que queríamos hacer, sabíamos que necesitábamos desarrollar algunos instrumentos extremadamente precisos", dice Hu.

El equipo compara su solución con un lápiz y una plantilla, utilizando un láser (el lápiz que escribe) y una cavidad (la plantilla en la que se escribe) para formar y caracterizar la formación de la vacante. "Queríamos hacer esto utilizando pulsos de luz por encima de la brecha de banda", que contienen más energía de fotones que los láseres por debajo de la brecha de banda, "para transferir energía de manera más eficiente desde el 'lápiz' láser a la 'plantilla' de material", dijo Day. dice.

En primer lugar, Day y Dietz fabricaron dispositivos de cavidades nanofotónicas con carburo de silicio de grado comercial en una sala limpia, un esfuerzo laborioso y que consumía mucho tiempo. Luego realizaron experimentos para intentar crear emisores ópticos exactamente donde querían dentro de las cavidades.

"Al principio, nuestros pulsos de láser estaban haciendo estallar nuestras cavidades, básicamente explotándolas", dice Day, un resultado que estaba lejos de ser ideal. "Necesitábamos reducir drásticamente la energía del láser".

A través de prueba y error, determinaron cuánta energía y cuánta energía se necesitaba para crear el emisor deseado mientras preservaban el resto de la cavidad sin causar una "explosión". También incorporaron en su sistema un láser de "lectura" adicional, lo que les permitió evaluar la resonancia, o señales fotónicas, emitidas por una cavidad antes y después de que fuera pulsada por el láser que forma el defecto.

"Una de las mejores cosas que encontramos es que podíamos monitorear la cavidad, hacer un pulso de láser para crear el emisor óptico y luego obtener una lectura de los cambios inmediatos en la cavidad", dice Day.

"El potencial más emocionante de nuestro trabajo es crear números escalables de qubits. Un medio para crear y evaluar emisores en tiempo real hace que sea mucho más fácil elegir una cavidad con las propiedades correctas y convertirla de manera confiable en un anfitrión de información cuántica". ", dice Dietz.

Además, el equipo de Hu dice que su enfoque podría ser ampliamente útil para una variedad de preguntas fundamentales.

"A medida que formamos defectos dentro de las cavidades, podemos usar esas cavidades para brindarnos información instantánea sobre el entorno material local, usándolo como un 'nanoscopio' para probar las características de los defectos atómicos", agrega Day. "La combinación de este nuevo lápiz óptico láser con la plantilla de uso de resonancias de cavidad para brindarnos retroalimentación en tiempo real nos permite escribir y mejorar los dispositivos sin problemas. Estas dos herramientas, juntas, son más poderosas de lo que cualquiera de ellas sería por sí sola".

Madison Sutula y Matthew Yeh también fueron coautores del artículo.

Este trabajo fue apoyado por el Centro de Ciencia y Tecnología para Materiales Cuánticos Integrados, (subvención de la Fundación Nacional de Ciencias no. DMR-1231319). Se realizó algún trabajo en el Centro de Sistemas a Nanoescala de la Universidad de Harvard, que cuenta con el apoyo del premio NSF no. ECCS-2025158. Este trabajo también fue apoyado por el premio NSF RAISE-TAQS no. 1839164, una beca de investigación para graduados en tecnología espacial de la NASA y el programa de becas para graduados en ingeniería y ciencia de la defensa nacional del Departamento de Defensa.

Temas:Física Aplicada, Ingeniería Cuántica

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Profesor Tarr-Coyne de Física Aplicada y de Ingeniería Eléctrica

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