DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55552-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747103
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Andreas Gritsch وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث تطوير واجهة فعالة بين الدوران والفوتون باستخدام مواد مشوبة بالإربيوم في الرنانات النانوية السيليكونية، مما يعالج التحدي المتمثل في ربط سجلات صغيرة من الكيوبتات الدورانية بمعالجات كمومية أكبر. يظهر المؤلفون قراءة بصرية لمرة واحدة لكيوبيت الدوران السيليكوني، محققين أوقات تماسك تتجاوز العمر البصري المعزز بواسطة بورسيل. تسهل هذه التقدمات إمكانية تشابك الدورانات البعيدة من خلال تداخل الفوتونات، مستفيدة من قدرة مواد الإربيوم على إصدار فوتونات متماسكة في نطاق فقدان الحد الأدنى من الألياف البصرية.
تسلط الورقة الضوء على عدة مزايا لاستخدام الحقول البصرية في التحكم في الكيوبتات وقراءتها، بما في ذلك عرض نطاق ترددي متفوق للعنونة متعددة الترددات، وتقليل السكان الحراريين عند درجات حرارة محيطة، وتقليل التداخل بسبب الاحتجاز النانوي. تمكن هذه الميزات من دمج كاشفات بصرية عالية الدقة على رقائق السيليكون، مما يدعم قياسات سريعة للكيوبتات. تضع الخصائص الفريدة للإربيوم، مثل حالات الدوران المتماسكة طويلة العمر والتماسك البصري المحدود بالعمر في نطاق الاتصالات C-band، كمرشح واعد لمعالجة المعلومات الكمومية القابلة للتوسع. تؤكد النتائج على إمكانية دمج الكيوبتات الدورانية مع التقنيات البصرية لتعزيز هياكل الحوسبة الكمومية الموزعة.
طرق
في هذه الدراسة، يتضمن الإعداد التجريبي نظام تحديد المواقع النانوية ثلاثي المحاور المتطور (Attocube ANPx312، ANPz 102) لتركيب العينة. يتم توليد النبضات الضوئية باستخدام أنظمة الليزر المستمرة (Toptica CTL أو NKT Photonics BASIK X15) ويتم تعديلها من خلال إعداد تعديل جانب واحد، والذي يتضمن معدل تعديل بصري (iXblue MXIQER-LN-30) ووحدة تحكم تحيز المعدل (iXblue MBC-IQ-LAB-A1). يتيح هذا التكوين عمليات مسح ترددي عبر عدة جيجاهرتز. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام معدلين صوتيين بصريين (Gooch&Housego Fiber-Q) لتعزيز التباين بين الإشارة الضوئية والمطفأة.
يتم توصيل الضوء إلى شريحة الفوتونيات عبر موصل أديباتيكي، والذي يتكون من دليل موجي مدبب وألياف بصرية مدببة. يتم فصل الضوء المنعكس من التجاويف أو الضوء المنبعث من المواد المشوبة عن المدخل باستخدام مقسم شعاع بنسبة تقسيم 95:5 (Evanescent Optics Inc.) ويتم اكتشافه بواسطة كاشف فوتون مفرد من سلك نانوي فائق التوصيل (ID Quantique) بكفاءة اكتشاف تبلغ 80(5)% ومعدل عد مظلم يبلغ 10 هرتز، موجود في مبرد ثانوي. لتخفيف تثبيت الكاشف الناتج عن نبضات الإثارة، يتم استخدام مفتاح ضوئي سريع (Agiltron Ultra-fast Dual Stage SM NS 1 × 1 Switch) بوقت صعود أقل من 100 نانوثانية ومعدل نقل يبلغ 78%، يتم التحكم فيه بواسطة مولدات موجات عشوائية (Zurich Instruments HDAWG و SHFSG). يتم توصيل نبضات الميكروويف إلى الشريحة عبر سلك نحاسي، على بعد حوالي 2 مم، باستخدام مضخم MiniCircuits ZHL-100W-352+ بحد أقصى للطاقة الناتجة يبلغ 100 واط.
نقاش
في هذه الدراسة، نقدم تقدمات في واجهة الدوران-الفوتون باستخدام رنانات بلورية فوتونية مشوبة بالإربيوم، محققين تحسينات كبيرة في انبعاث الضوء وقدرات قراءة الدوران. تم تحسين تصميم الرنان لتقليل حجم الوضع إلى حوالي $0.83 \, \lambda/n^3$ مع الحفاظ على عامل جودة مرتفع قدره $82(3) \times 10^3$. يتيح هذا التكوين كفاءة إخراج فوتون تبلغ حوالي 40% وكفاءة اقتران خارج الشريحة تبلغ حوالي 50%. من الجدير بالذكر أن مادة الإربيوم الأكثر انزياحًا نحو الأحمر تظهر أعلى نقاء فوتون مفرد ($g^{(2)}(0) = 0.019(1)$) وعامل تعزيز بورسيل قدره $P = 177(2)$، مما يؤدي إلى عمر بصري قدره $0.803(11) \, \mu s$، وهو أسرع تقريبًا بعشر مرات من الملاحظات السابقة.
تستكشف الدراسة أيضًا خصائص الدوران لمواد الإربيوم المشوبة، كاشفة عن عمر دوران قدره $0.44(6) \, s$ ووقت تماسك قدره $T_2 = 48(2) \, \mu s$ عند 2.75 كلفن، مع مؤشرات على تدهور بسبب الشوائب البارامغناطيسية. تتيح طريقة القراءة البصرية لمرة واحدة المطورة الكشف الانتقائي عن الفلورسنت، محققة دقة قراءة قدرها $F = 86.9(8)\%$. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن تحسين دقة القراءة من خلال تحسين الرنان وأنظمة الكشف، فإن الإعداد الحالي يظهر بالفعل وعدًا للتطبيقات في معالجة المعلومات الكمومية القابلة للتوسع والشبكات. ستركز الأعمال المستقبلية على توليد تشابك الدوران-الفوتون وتعزيز أداء النظام لتلبية متطلبات الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55552-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747103
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Andreas Gritsch et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
The research paper discusses the development of an efficient spin-photon interface utilizing erbium dopants in silicon nanophotonic resonators, which addresses the challenge of connecting small registers of spin qubits to larger quantum processors. The authors demonstrate optical single-shot readout of a silicon spin qubit, achieving coherence times that exceed the Purcell-enhanced optical lifetime. This advancement facilitates the potential for entangling remote spins through photon interference, leveraging the ability of erbium dopants to emit coherent photons in the minimal-loss band of optical fibers.
The paper highlights several advantages of using optical fields for qubit control and readout, including superior bandwidth for frequency-multiplexed addressing, reduced thermal population at ambient temperatures, and minimized cross-talk due to nanoscale confinement. These features enable the integration of high-fidelity optical detectors on silicon chips, supporting rapid qubit measurements. The unique properties of erbium, such as long-lived coherent spin ground states and lifetime-limited optical coherence in the telecommunications C-band, position it as a promising candidate for scalable quantum information processing. The findings underscore the potential of combining spin qubits with optical technologies to enhance distributed quantum computing architectures.
Methods
In this study, the experimental setup involves a sophisticated three-axis nanopositioning system (Attocube ANPx312, ANPz 102) to mount the sample. Optical pulses are generated using continuous-wave laser systems (Toptica CTL or NKT Photonics BASIK X15) and are modulated through a single-sideband modulation setup, which includes an optical IQ modulator (iXblue MXIQER-LN-30) and a modulator bias controller (iXblue MBC-IQ-LAB-A1). This configuration enables frequency sweeps across several GHz. Additionally, two acousto-optic modulators (Gooch&Housego Fiber-Q) are utilized to enhance the on-off contrast of the optical signals.
The light is coupled onto the photonic chip via an adiabatic coupler, which consists of a tapered waveguide and a tapered optical fiber. Reflected light from the cavities or emitted light from dopants is separated from the input using a beamsplitter with a 95:5 splitting ratio (Evanescent Optics Inc.) and detected by a superconducting nanowire single-photon detector (ID Quantique) with an 80(5)% detection efficiency and a dark count rate of 10 Hz, housed in a secondary cryostat. To mitigate detector latching caused by excitation pulses, a fast optical switch (Agiltron Ultra-fast Dual Stage SM NS 1 × 1 Switch) with a rise time of less than 100 ns and a transmission rate of 78% is employed, controlled by arbitrary waveform generators (Zurich Instruments HDAWG and SHFSG). Microwave pulses are delivered to the chip via a copper wire, approximately 2 mm away, using a MiniCircuits ZHL-100W-352+ amplifier with a maximum output power of 100 W.
Discussion
In this study, we present advancements in a spin-photon interface utilizing erbium-doped silicon photonic crystal resonators, achieving significant enhancements in optical emission and spin readout capabilities. The resonator design has been optimized to reduce the mode volume to approximately $0.83 \, \lambda/n^3$ while maintaining a high quality factor of $82(3) \times 10^3$. This configuration allows for a photon outcoupling efficiency of around 40% and an off-chip coupling efficiency of about 50%. Notably, the most red-detuned erbium dopant demonstrates the highest single-photon purity ($g^{(2)}(0) = 0.019(1)$) and a Purcell enhancement factor of $P = 177(2)$, resulting in an optical lifetime of $0.803(11) \, \mu s$, which is nearly ten times faster than previous observations.
The study further explores the spin properties of the erbium dopants, revealing a spin lifetime of $0.44(6) \, s$ and a coherence time of $T_2 = 48(2) \, \mu s$ at 2.75 K, with indications of decoherence due to paramagnetic impurities. The optical single-shot readout method developed allows for state-selective fluorescence detection, achieving a readout fidelity of $F = 86.9(8)\%$. The findings suggest that while the readout fidelity can be improved through optimization of the resonator and detection systems, the current setup already shows promise for applications in scalable quantum information processing and networking. Future work will focus on generating spin-photon entanglement and enhancing the system’s performance to meet the demands of fault-tolerant quantum computing.