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L’Internet quantistica globale necessita di un’interfaccia materiale fotonica per banda di telecomunicazioni di lunga durata che possa essere prodotta su larga scala. La rete quantistica preliminare basata su interfacce di materia fotonica che soddisfano questi sottoinsiemi di esigenze sta incoraggiando gli sforzi per trovare nuove alternative ad alte prestazioni. Il silicio è il soggetto ideale per la tecnologia quantistica a stato solido su scala commerciale. Si tratta già di una piattaforma avanzata nel settore globale integrato della fotonica e della microelettronica e dispone di un bit quantistico con spin di lunga durata da record. Sebbene le piattaforme quantistiche in silicio abbiano un grande potenziale, il rilevamento ottico dell’interfaccia dello spin dei fotoni sui materiali a base di silicio rimane sfuggente.

1. Integrazione eOotticoCaccoppiamento di T-CentraSilicona

Il centro T è il centro del danno da radiazione nel silicio, costituito da due atomi di carbonio, un atomo di idrogeno e un elettrone spaiato (Fig. 1a). A 935,1 meV (1326 nm), c'è una transizione ottica della linea fononica zero (ZPL) e il centro T è uno dei centri noti di danno da radiazioni del silicio che emettono luce nella banda di comunicazione del vicino infrarosso.

La misurazione dell'insieme dei centri T nel 28Si isotopico arricchito ha rivelato una durata dello stato eccitato di 940 ns e una larghezza di linea di transizione di soli 33 MHz. Lo stato fondamentale del centro T ha spin non elettronico e spin nucleare dell'idrogeno accoppiato iperfine. Gli elettroni dello stato fondamentale e lo spin nucleare dell'idrogeno sono entrambi di lunga durata, con tempi di coerenza maggiori rispettivamente di 2,1 ms e 1,1 s nel 28Si. Nello stato eccitato ottico dell'eccitone legato, due elettroni formano uno stato di singoletto e la diminuzione della simmetria del difetto divide lo stato della lacuna in due stati doppi di spin, etichettati rispettivamente TX0 e TX1 (Fig. 1b). Sotto l'azione di un campo magnetico statico, TX0 ZPL si divide in quattro transizioni legate allo spin.

Questo lavoro prepara innanzitutto i centri T nei chip SOI standard industriali. Come mostrato in Fig. 1c, la fotoluminescenza del centro T (PL) domina lo spettro del campione. Per ottenere la risoluzione spaziale di un singolo centro T, gli esperimenti sono stati condotti in un microscopio confocale a bassa temperatura a livello di dispositivo SOI autocostruito da 4,3 (3) K. La Fig. 1d mostra il campo simulato del dipolo emettitore al centro del microback, orientato nel piano del dispositivo. Questo lavoro stima che nel SOI non modellato, la forza della ZPL sia aumentata fino a 58 volte rispetto al centro.

Fig. 1 Integrazione e accoppiamento ottico del centro T

2. Centro basato sul silicio

Il PLE confocale rivela la prova che è possibile indirizzare un singolo centro T. Questo studio ha selezionato un gruppo di micropuck con un raggio di 305 nm (Fig. 2a), quindi ha misurato lo spettro PLE per ciascun micropuck nell'intervallo di 776 μeV attorno alla massa TX0 ZPL. Tre esempi di spettri PLE a spinta singola sono mostrati in Fig. 2b. Ciascuno spettro PLE contiene una piccola quantità (in media 1,1) di risonanze strette campionate da distribuzioni non uniformi più ampie.

La Fig. 2c mostra la posizione e la larghezza della linea del picco ZPL del centro T nelle 144 microfessure in Fig. 2a. La distribuzione dei picchi ZPL è causata dai cambiamenti negli isotopi locali e nell'ambiente di deformazione di ciascun difetto. Questa distribuzione non uniforme ha un intervallo più ampio ed è leggermente compensata dalla ZPL SOI non grafica (come mostrato in Fig. 1c).

Da questo lavoro è emerso che in materiali gravemente danneggiati e non ottimizzati, la diffusione spettrale totale del centro di selezione è inferiore a 400 MHz. È stato dimostrato che l'ottimizzazione della superficie, il controllo elettrostatico e la riduzione dei danni da iniezione riducono significativamente il rumore ambientale e la diffusione spettrale di altri centri di colore e tecniche simili possono essere applicate anche a questo sistema.

Fig. 2 Centro a base di silicio

3. SilicioBasedSingleseSspilloOotticoInizializzazione eReadout

In Fig. 3a-c, questo lavoro presenta gli spettri PLE a doppio colore di tre centri T estratti da microbolle con un raggio di 305 nm. La suddivisione ZPL di ciascun TX0 è diversa e riflette orientamenti diversi. Il centro T 1 ha transizioni B e C quasi degenerate, con ciascun laser che guida in modo indipendente la fluorescenza continua.

Al contrario, le transizioni B e C del centro T 2 erano ben risolte con la suddivisione di 1 GHz. La fluorescenza più brillante è generata da una combinazione di due colori, in cui il laser è desintonizzato e risuona rispettivamente con le transizioni B e C. La suddivisione BC del centro T 3 è di soli 0,7 GHz, ma le due risonanze AD sono ancora ben risolte.

Dopo aver confermato che si tratta di spin singoli, il passo successivo di questo lavoro consiste nell'eseguire l'inizializzazione ottica e la lettura dello stato dello spin e misurare la durata dello spin (T1). La sequenza di impulsi ottici mostrata in Fig. 3f ha elaborato le transizioni B e C del centro T 3. Quando il tempo di attesa si avvicina a 1 ms, vengono generate durate transitorie asimmetriche di 0,85 (6) e 1,2 (1) ms per B (arancione) e impulsi di lettura C (blu), rispettivamente. Nel lavoro futuro, una maggiore estinzione ottica estenderà la durata dello spin misurabile.

Fig. 3 Inizializzazione ottica e lettura a spin singolo

Questo lavoro integra qubit di spin fotonico del centro T indirizzabili individualmente in strutture fotoniche di silicio e caratterizza le loro transizioni ottiche legate allo spin nella banda delle telecomunicazioni. È stato misurato un T-center integrato nel dispositivo con larghezza di linea ottica a lungo termine inferiore a 400 MHz inferiore a 2,5 K. Attraverso lo sviluppo del processo, l'ingegneria elettrostatica e il controllo dinamico, la larghezza di linea ottica a lungo termine di molti emettitori è stata migliorata. Questo risultato della ricerca offre un'opportunità diretta per costruire una rete di informazioni quantistiche con banda di telecomunicazioni integrata in silicio.

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