Создание квантовой сети упирается в сложную проблему совместимости материалов. Алмаз способен содержать квантовые излучатели — миниатюрные системы, генерирующие световые сигналы, тогда как для изготовления оптических схем, передающих эти сигналы, лучше подходят другие материалы. При соединении таких материалов свет может теряться именно в месте стыка, предназначенном для его пропускания.
Исследователи из США и Республики Корея соединили алмаз с фотонными схемами из диоксида титана, применив метод изготовления, при котором компоненты сами выравниваются друг относительно друга. Их работа, опубликованная в журнале Light: Science & Applications, показывает, как такое соединение позволяет сохранять низкие потери света и даёт чипу возможность взаимодействовать с алмазным излучателем и направлять его свет по схеме.
«Мы хотели найти практичный способ объединить высококачественные квантовые излучатели с интегральной фотоникой, не платя большую цену за оптические потери», — заявил Кинфун Нган, первый автор исследования и аспирант JILA и Университета Колорадо в Боулдере.
Учёные направили тонкий луч алмаза в заранее сформированную структуру, где он самостоятельно занял выровненное положение. Затем вокруг него создали фотонное устройство из диоксида титана. Заложенное в процесс изготовления выравнивание позволяет избежать многих ошибок позиционирования, которые вызывали дополнительные потери света в прежних попытках соединить квантовые излучатели с оптическими схемами. После соединения материалов алмаз служил источником света, а схема из диоксида титана обеспечивала путь для его распространения по чипу. Источником света был центр на основе кремниевой вакансии — небольшой дефект в атомной структуре алмаза. Ограничив свет вокруг этого излучателя в гибридном оптическом резонаторе, команда усилила его излучение. Также было показано, что свет от излучателя можно направлять по схеме.
Чип позволил исследователям задать спину излучателя начальное состояние и считать это состояние, получив доступ к квантовому свойству, способному переносить информацию. «Продемонстрировав усиленное излучение, управление спином на чипе и эффективную маршрутизацию фотонов в одной платформе, эта работа указывает на реалистичный путь к масштабируемым квантовым фотонным чипам», — сказал Донён Дэниел Кан, один из авторов-корреспондентов исследования и старший научный сотрудник Корейского института науки и технологий.
Платформа может вмещать более совершенные конструкции для эффективного сбора света в широком диапазоне длин волн. Такая совместимость позволит исследователям создавать более крупные схемы с большим числом функций, используя тот же подход к соединению материалов. «Преодолев ключевое узкое место интеграции, эта работа открывает захватывающие возможности для крупномасштабных фотонных квантовых процессоров и квантовых повторителей», — отметил Шуо Сунь, автор-корреспондент, сотрудник JILA и assistant professor (ассистент-профессор) Университета Колорадо в Боулдере. Квантовые повторители — это устройства, предназначенные для расширения охвата квантовых коммуникационных сетей. Авторы также отмечают, что метод сборки может работать с квантовыми излучателями и фотонными материалами за пределами пары алмаз — диоксид титана, распространяя подход на другие сочетания источников света и схем.