リアルタイムでの発光体の形成とセンシング

量子ネットワーキングを可能にする新しい技術を求めて、ハーバード大学の研究者らは、量子コンピューティングの最も基本的な単位である量子ビットの形成に使用できる、単一原子の表面近くの材料欠陥を作成するための新しいレーザーベースの戦略を開発しました。 研究チームはまた、ナノスケールキャビティ内の光エミッタの形成を測定し、特徴付けるためのリアルタイム方法も発見した。

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院（SEAS）のエブリン・フー氏と彼女のチームがNature Materials誌で報告したこの進歩により、量子ビット出力のタイミングと強度をより適切に制御できるようになる可能性がある。

「これらは本質的に『欠陥のある』材料です。他の点では完璧な結晶構造に原子が欠如している、あるいは空孔が存在します」と論文の上級著者であり、応用物理学および電気工学のター・コイン教授であるフー氏は言う。シーズ。 「空孔には独自の電子状態があり、特定のスピンがあり、特定の波長の光子を放出する可能性があります。」

これらの欠陥とそれらが発する光の波長は、ダイヤモンドやその他の結晶に美しい色を与える可能性があるため、カラーセンターと呼ばれることもあります。 しかし、光を屈折、制御、操作するフォトニック材料のナノスケールの空洞内では、これらの欠陥は情報の発光体のように機能する可能性があります。

「私たちのチームは、これらの欠陥の形成と、それらが量子ネットワーク内で量子ビットとしてどのように動作するかに非常に興味を持っています。もつれを介してナノフォトニックキャビティ内の一連の欠陥を結合すると、量子情報の送信が可能になります」と共同初の研究者であるアーロン・デイ氏は述べています。論文の著者。 彼とこの論文のもう一人の共同筆頭著者であるジョナサン・ディーツは、どちらも応用物理学の博士号を持っています。 胡研究室の候補者たち。

しかし、これまで、材料の結晶構造の他の部分に損傷を与えることなく、ナノスケールの空洞内の光エミッタの正確な位置を完全に制御する方法はありませんでした。

通常、人間の髪の毛の幅の 100 倍小さいこのようなキャビティ内にエミッターを作成するプロセスでは、イオンまたはバンドギャップ未満のレーザーを使用して材料の結晶構造を破壊する必要があります。 (バンドギャップとは、材料の電子を励起して自由に電流を流すことができるようにするために必要な最小エネルギー量を指します。) しかし、イオン注入装置はほとんどの研究室では利用できません。 そして胡氏は、従来の技術は両方とも運動エネルギーの「強引な」使用であり、非効率的で制御が難しく、慎重な穴あけというよりはサンドブラストに近いと述べた。

「私たちがやりたいことを実現するには、非常に精密な機器を開発する必要があることはわかっていました」と胡氏は言います。

研究チームは、このソリューションをスタイラスとテンプレートに例え、レーザー (書き込みを行うスタイラス) とキャビティ (書き込みを行うテンプレート) を使用して、空孔の形成と特徴付けを行います。 「私たちは、バンドギャップ以下のレーザーよりも多くの光子エネルギーを含む、バンドギャップ以上の光パルスを使用してこれを行いたかったのです。これは、エネルギーをレーザーの「スタイラス」から材料の「テンプレート」により効率的に伝達するためです」とデイ氏は述べています。と言う。

まず、Day と Dietz は、クリーン ルームで商用グレードの炭化ケイ素からナノフォトニック キャビティ デバイスを製造しました。これは、時間と骨の折れる作業です。 次に、彼らは空洞内の希望どおりの場所に光エミッターを作成する実験を実行しました。

「最初は、レーザーパルスが空洞を爆破していました。つまり、基本的に空洞を爆発させていました」とデイ氏は言いますが、その結果は理想とは程遠いものでした。 「レーザーのエネルギーを大幅に削減する必要がありました。」

彼らは試行錯誤を繰り返しながら、「爆発」を起こさずにキャビティの残りの部分を維持しながら目的のエミッタを作成するには、どのくらいのエネルギーが必要なのかを判断した。 彼らはまた、追加の「読み出し」レーザーをシステムに組み込んで、欠陥形成レーザーによってパルス化される前後で空洞から発せられる共鳴、またはフォトニック信号を評価できるようにしました。

「私たちが発見した最も素晴らしいことの 1 つは、空洞を監視し、1 つのレーザー パルスを実行して光エミッターを作成し、その後空洞への即時の変化を読み取​​れることです」と Day 氏は言います。

「私たちの研究の最もエキサイティングな可能性は、スケーラブルな数の量子ビットを作成することにあります。エミッターをリアルタイムで作成して評価する手段により、適切な特性を持つキャビティを選択し、それを量子情報のホストに確実に変換することがはるかに簡単になります。 」とディーツは言います。

さらに、胡氏のチームは、彼らのアプローチはさまざまな基本的な疑問に対して広く役立つ可能性があると述べている。

「空洞内に欠陥を形成すると、それらの空洞を使用して局所の材料環境に関する情報を瞬時に伝えることができます。これを原子欠陥の特性を調べるための『ナノスコープ』として使用します」とデイ氏は付け加えた。 「この新しいレーザー スタイラスを空洞共鳴を使用してリアルタイムのフィードバックを提供するテンプレートと組み合わせることで、デバイスの作成と改善をシームレスに行うことができます。これら 2 つのツールを組み合わせると、どちらか一方を単独で使用するよりも強力になります。」

Madison Sutula と Matthew Yeh もこの論文の共著者です。

この研究は、統合量子材料科学技術センター (国立科学財団助成金番号 DMR-1231319) によって支援されました。 一部の研究は、NSF 賞の支援を受けてハーバード大学ナノスケール システムセンターで実施されました。 ECCS-2025158。 この研究は、NSF RAISE-TAQS 賞の第 1 位によっても支援されました。 1839164、NASA 宇宙技術大学院研究フェローシップ、および国防総省の国防科学技術大学院フェローシップ プログラム。

トピック：応用物理学、量子工学

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