Вчені розробили алмазно-літієвий ніобатний чіп з ефективністю 92%

Алмаз і ніобат літію поєднуються, щоб служити основним компонентом майбутніх квантових технологій. Алмаз і ніобат літію часто рекламують як високоефективні квантові матеріали. Тепер, у результаті підтриманого центром Q-NEXT, вчені об’єднали два матеріали в єдиний квантовий пристрій із захоплюючими результатами.

Вчені з квантової інформації постійно шукають виграшні комбінації матеріалів, матеріалів, якими можна маніпулювати на молекулярному рівні для надійного зберігання та передачі інформації.

Після нещодавньої демонстрації підтвердження принципу дослідники додають нову комбінацію сполук до списку квантових матеріалів.

У дослідженні, опублікованому в ACS Photonics, дослідники поєднали дві нанорозмірні структури — одну з алмазу, а іншу — з ніобату літію — на одному чіпі. Потім вони направили світло від алмазу до ніобату літію та виміряли частку світла, яке успішно пройшло через нього. Чим більша ця частка, тим ефективніше з’єднання матеріалів і тим перспективнішим є з’єднання як компонент квантових пристроїв.

Результат: надзвичайні 92% світла зробили стрибок від алмазу до ніобату літію.

Дослідження було частково підтримано Q-NEXT, Національним дослідницьким центром квантової інформації Міністерства енергетики США (DOE) під керівництвом Аргонської національної лабораторії DOE. Керували дослідженням Амір Сафаві-Наїні та Єлена Вукович зі Стенфордського університету.

Трохи про кубіти

Квантові технології використовують особливості матерії на молекулярному рівні для обробки інформації. Очікується, що квантові комп’ютери, мережі та датчики матимуть величезний вплив на наше життя в таких сферах, як медицина, комунікація та логістика.

Квантова інформація доставляється в пакетах, званих кубітами, які можуть приймати різні форми. У новій платформі дослідницької групи кубіти передають інформацію як частинки світла.

Надійні кубіти є критично важливими для таких технологій, як квантові комунікаційні мережі. Як і в традиційних мережах, інформація у квантових мережах передається від одного вузла до іншого. Стаціонарні кубіти зберігають інформацію всередині вузла; літаючі кубіти переносять інформацію між вузлами.

Новий чіп дослідницької групи стане основою стаціонарного кубіта. Чим надійніший стаціонарний кубіт, тим надійніша квантова мережа, і тим більшу відстань можуть покрити мережі. Квантова мережа, що охоплює континент, знаходиться в межах досяжності.

Матеріальна перевага

Алмаз давно рекламується як чудовий дім для кубітів. По-перше, молекулярну структуру алмазу можна легко маніпулювати для розміщення стаціонарних кубітів. З іншого боку, розміщений на алмазі кубіт може зберігати інформацію протягом відносно тривалого часу, що означає більше часу для виконання обчислень. Крім того, обчислення, виконані з використанням алмазних кубітів, демонструють високу точність.

Партнер Diamond у дослідженні групи, ніобат літію, є ще одним зірковим виконавцем, коли справа доходить до обробки квантової інформації. Його особливі властивості надають науковцям універсальність, дозволяючи їм змінювати частоту світла, що проходить через нього. Наприклад, дослідники можуть застосувати електричне поле або механічну деформацію до ніобату літію, щоб налаштувати те, як він направляє світло. Також можна змінити орієнтацію його кристалічної структури. Виконання цього через регулярні проміжки часу є іншим способом сформувати проходження світла через матеріал.

«Ви можете використовувати ці властивості ніобату літію для перетворення та зміни світла, що надходить від алмазу, модулюючи його способами, які є корисними для різних експериментів», — сказав Джейсон Херрманн, співавтор статті та доктор філософії. студент Стенфорда. «Наприклад, ви можете перетворити світло на частоту, яка використовується існуючою комунікаційною інфраструктурою. Тож ці властивості ніобату літію справді корисні».

Потужна пара

Традиційно світло від розміщених у алмазах кубітів направляється або в оптоволоконний кабель, або у вільний простір. В обох випадках експериментальна установка є громіздкою. Волоконно-оптичні кабелі довгі, звисають і гнучкі. А для передачі кубітів у вільний космос потрібне громіздке обладнання.

Усе це обладнання зникає, коли світло від кубітів алмазу спрямовується на ніобат літію. Майже кожен компонент можна розмістити на одному крихітному чіпі.

«Є перевага мати якомога більше ваших пристроїв і функцій на одному чіпі», — сказав Лі. «Він більш стабільний. І це справді дозволяє вам мініатюризувати налаштування».

Мало того, оскільки два пристрої з’єднані тонкою ниткою розжарення — 1/100 ширини людської волосини — квантове світло вдавлюється у вузький прохід, який веде до ніобату літію, посилюючи взаємодію світла з матеріалу і легше керувати властивостями світла.

Складна збірка

Одним із завдань розробки платформи було маніпулювання алмазом — лише 300 нанометрів завширшки — для вирівнювання з ніобатом літію.

«Нам довелося тикати в діамант крихітними маленькими голками, щоб пересунути його, доки не здавалося, що він знаходиться в правильному місці на цій пластині», — сказав Лі. «Це майже так, ніби ви тикаєте в нього маленькими паличками».

Вимірювання переданого світла було іншим кропітким процесом.

«Ми повинні переконатися, що ми враховуємо всі місця, де світло пропускається або втрачається, щоб мати змогу сказати: «Ось скільки йде від алмазу до ніобату літію», — сказав Геррманн. «Це вимірювання калібрування зайняло багато часу вперед і назад, щоб переконатися, що ми робимо це правильно».

Команда планує подальші експерименти, які використовуватимуть переваги квантової інформації, які пропонують алмаз і ніобат літію, як окремо, так і разом. Їх останній успіх є лише однією віхою в тому, що вони сподіваються, буде різноманітним меню пристроїв на основі двох матеріалів.

«Поєднуючи ці дві матеріальні платформи та направляючи світло від однієї до іншої, ми показуємо, що замість того, щоб працювати лише з одним матеріалом, ви дійсно можете мати найкраще з обох світів», — сказав Лі.