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La Internet cuántica global necesita una interfaz de material fotónico de banda de telecomunicaciones de larga duración que pueda fabricarse a gran escala. La red cuántica preliminar basada en interfaces de materia fotónica que satisface estos subconjuntos de necesidades está fomentando los esfuerzos para encontrar nuevas alternativas de alto rendimiento. El silicio es el tema ideal para la tecnología cuántica de estado sólido a escala comercial. Ya es una plataforma avanzada en la industria mundial integrada de fotónica y microelectrónica, y tiene un bit cuántico de espín de larga vida récord que bate récords. Aunque las plataformas cuánticas de silicio tienen un gran potencial, la detección óptica de la interfaz de espín del fotón en materiales basados ​​en silicio sigue siendo difícil de alcanzar.

1. Integración yOópticoCacoplamiento de T-Centra enSilicon

El centro T es el centro de daño por radiación en el silicio y consta de dos átomos de carbono, un átomo de hidrógeno y un electrón desapareado (Fig. 1a). A 935,1 meV (1326 nm), hay una transición óptica de línea de fonón cero (ZPL), y el centro T es uno de los centros de daño por radiación de silicio conocidos que emiten luz en la banda de comunicación del infrarrojo cercano.

La medición del conjunto del centro T en 28Si enriquecido isotópicamente reveló una vida útil del estado excitado de 940 ns y un ancho de línea de transición tan bajo como 33 MHz. El estado fundamental del centro T tiene espín sin electrones y espín nuclear de hidrógeno acoplado hiperfino. Los electrones del estado fundamental y el espín nuclear del hidrógeno son ambos de larga vida, con tiempos de coherencia superiores a 2,1 ms y 1,1 s en 28Si, respectivamente. En el estado óptico excitado del excitón unido, dos electrones forman un estado singlete, y la disminución en la simetría del defecto divide el estado del hueco en dos estados dobles de espín, denominados TX0 y TX1, respectivamente (Fig. 1b). Bajo la acción de un campo magnético estático, TX0 ZPL se divide en cuatro transiciones relacionadas con el espín.

Este trabajo prepara primero los centros T en chips SOI estándar industriales. Como se muestra en la Fig. 1c, la fotoluminiscencia (PL) del centro T domina el espectro de la muestra. Para lograr la resolución espacial de un solo centro T, se realizaron experimentos en un microscopio confocal de baja temperatura de 4,3 (3) K de capa de dispositivo SOI de fabricación propia. La figura 1d muestra el campo simulado del emisor dipolo en el centro del microback, orientado en el plano del dispositivo. Este trabajo estima que en SOI no modelado, la fuerza de ZPL aumenta hasta 58 veces en comparación con el centro.

Fig.1 Integración y acoplamiento óptico del centro en T.

2. Centro basado en silicio

El PLE confocal revela evidencia de que se puede abordar un solo centro T. Este estudio seleccionó un grupo de microdiscos con un radio de 305 nm (Fig. 2a) y luego midió el espectro PLE para cada microdiscos dentro del rango de 776 μeV alrededor del TX0 ZPL en masa. En la Fig. 2b se muestran tres ejemplos de espectros PLE de un solo impulso. Cada espectro PLE contiene una pequeña cantidad (con un promedio de 1,1) de resonancias estrechas muestreadas a partir de distribuciones no uniformes más grandes.

La figura 2c muestra la posición y el ancho de línea del pico ZPL del centro T en las 144 microfisuras de la figura 2a. La distribución de los picos de ZPL está causada por cambios en los isótopos locales y el entorno de tensión de cada defecto. Esta distribución desigual tiene un rango más amplio y está ligeramente compensada con respecto al SOI ZPL no gráfico (como se muestra en la Fig. 1c).

Este trabajo encontró que en materiales severamente dañados y no optimizados, la difusión espectral total del centro de selección es inferior a 400 MHz. Se ha demostrado que la optimización de la superficie, el control electrostático y un menor daño por inyección reducen significativamente el ruido ambiental y la difusión espectral de otros centros de color, y también se pueden aplicar técnicas similares a este sistema.

Fig. 2 Centro a base de silicio

3. SilicioBasadoSindividualSalfilerOópticoInicialización yRsalida

En las figuras 3a-c, este trabajo presenta los espectros PLE de doble color de tres centros T extraídos de microburbujas con un radio de 305 nm. La división ZPL de cada TX0 es diferente y refleja diferentes orientaciones. El centro T 1 tiene transiciones B y C casi degeneradas, y cada láser genera de forma independiente una fluorescencia continua.

Por el contrario, las transiciones B y C del centro T 2 se resolvieron bien con la división de 1 GHz. La fluorescencia más brillante se genera mediante una combinación de dos colores, en los que el láser se desafina y resuena con las transiciones B y C, respectivamente. La división BC del T-center 3 es de sólo 0,7 GHz, pero las dos resonancias AD todavía están bien resueltas.

Después de confirmar que se trata de giros únicos, el siguiente paso de este trabajo es realizar la inicialización óptica y la lectura del estado del giro, y medir la vida útil del giro (T1). La secuencia de pulsos ópticos que se muestra en la Fig. 3f procesó las transiciones B y C del centro T 3. Cuando el tiempo de espera se acerca a 1 ms, se generan vidas transitorias asimétricas de 0,85 (6) y 1,2 (1) ms para B (naranja) y C (azul) pulsos de lectura, respectivamente. En trabajos futuros, una mayor extinción óptica extenderá la vida útil del espín mensurable.

Fig. 3 Inicialización y lectura óptica de un solo giro

Este trabajo integra qubits de espín de fotones con centro T direccionables individualmente en estructuras fotónicas de silicio y caracteriza sus transiciones ópticas relacionadas con el espín en la banda de telecomunicaciones. Se midió un dispositivo con centro en T integrado con un ancho de línea óptica de largo plazo inferior a 400 MHz por debajo de 2,5 K. Mediante el desarrollo de procesos, la ingeniería electrostática y el control dinámico, se mejoró el ancho de línea óptica a largo plazo de muchos emisores. Este logro de la investigación brinda una oportunidad directa para construir una red de información cuántica de banda de telecomunicaciones integrada en silicio.

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