量子エミッタの進歩は量子インターネットに向けた進歩を示す

量子コンピューターを接続し、非常に安全なデータ送信が可能な量子インターネットの見通しは魅力的ですが、その実現には大きな課題が伴います。 量子情報を転送するには、従来の光ファイバーネットワークで使用される光源ではなく、個々の光子を扱う必要があります。 個々の光子を生成および操作するために、科学者はカラーセンターとしても知られる量子発光体に目を向けています。 半導体材料におけるこれらの原子スケールの欠陥は、固定された波長または色の単一光子を放出し、制御された方法で光子が電子スピン特性と相互作用することを可能にします。

研究者チームは最近、パルスイオンビームを使用して量子エミッターを作成するためのより効果的な技術を実証し、量子エミッターがどのように形成されるかについての理解が深まりました。 この研究は、エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の研究者であるトーマス・シェンケル氏、リャン・タン氏、そしてカリフォルニア大学バークレー校の電気工学およびコンピューターサイエンスの准教授でもあるブバカール・カンテ氏によって主導されました。 この結果はPhysics Review Appliedに掲載され、量子情報の処理と輸送に最適な量子欠陥エミッターを特定し、それらを正確に製造するというチームによる大規模な取り組みの一部である。

「私たちが作っているカラーセンターは、量子インターネットのバックボーンとなり、スケーラブルな量子情報処理の重要なリソースとなる候補です」とバークレー研究所の加速器技術・応用物理学（ATAP）部門の上級科学者シェンケル氏は述べた。 「それらは、スケーラブルな量子コンピューティングのための量子コンピューティング ノードのリンクをサポートできる可能性があります。」

「私たちが作っているカラーセンターは、量子インターネットのバックボーンとなり、スケーラブルな量子情報処理の重要なリソースとなる候補です。」— トーマス・シェンケル

この研究では、チームは、2 つの置換炭素原子とわずかに移動したシリコン原子を含む特定のタイプのカラーセンターをシリコン内に作製することを目標としました。 欠陥を生成する従来の方法は、高エネルギーイオンの連続ビームをシリコンに当てることです。 しかし研究者らは、パルスイオンビームの方が大幅に効率が良く、より多くの望ましい色中心を生成できることを発見しました。

ATAPの博士研究員であり、この論文の筆頭著者であるWei Liu氏は、「パルスイオンビームを使用すると、これらの欠陥がより簡単に生成できることを発見して驚きました」と述べた。 「現在、産業界と学術界では主に連続ビームが使用されていますが、私たちはより効率的なアプローチを実証しました。」

研究者らは、温度とシステムのエネルギー学が急速に変化するパルスビームによって生成される過渡励起が、より効率的な色中心形成の鍵となると信じている。これは、発表されたレーザー駆動加速器からのパルスイオンビームを使用した以前の研究を通じて確立されたものである。コミュニケーションマテリアルズ。

研究チームは、高感度の近赤外線検出器を使用してその光信号をプローブし、極低温で色中心の特徴を調べました。 彼らは、色中心の作成に使用されるイオンビームの強度によって、放出される光子の光学特性が変化することを発見しました。 国立エネルギー研究科学計算センター (NERSC) のパールマッター システムでの大規模コンピューター シミュレーションにより、この発見に対するさらなる洞察が得られ、放出された光子の波長が結晶格子内の歪み​​に敏感であることが明らかになりました。

「第一原理電子構造計算は、欠陥特性を理解するための頼りになる方法になっています」と、分子ファウンドリの博士研究員であり、この出版物の共同筆頭著者であるフセヴォロド・イワノフ氏は付け加えた。 「複雑な環境であっても、欠陥がどのように動作するかを予測できる段階に達しました。」

この発見はまた、放射線センサーとしての量子エミッターカラーセンターの新たな応用を示唆している。

「それは新たな方向性を開くものだ」とバークレー研究所分子鋳造所のスタッフサイエンティスト、タン氏は語った。 「シリコンに陽子を当てるだけで、このカラーセンターを形成できます。 放射線の到来方向に応じて異なるひずみ場が見えるため、方向性のある暗黒物質またはニュートリノ検出器として使用できる可能性があります。」