Electrically tunable, two-photon interference from remote silicon-vacancy centers in industrial silicon carbide
Diese Studie zeigt, dass Silizium-Vakanz-Zentren in industriellen Siliziumkarbid-p-i-n-Dioden eine skalierbare und spektral stabile Plattform für verteilte Quantennetzwerke darstellen, wobei über einen Zeitraum von 26 Tagen mit minimalem Wartungsaufwand eine hochsichtbare Zwei-Photonen-Interferenz zwischen entfernten Knotenpunkten erreicht wurde.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Der Traum eines Quanteninternets beruht auf einem einfachen, aber anspruchsvollen Prinzip: Um entfernte Computer miteinander zu verbinden, müssen sie in der Lage sein, Informationen unter Verwendung einzelner Lichtteilchen auszutauschen. Damit dieser Austausch funktioniert, müssen die Lichtteilchen, die von einem Ort aus gesendet werden, perfekt identisch mit denen sein, die von einem anderen Ort gesendet werden, als wären sie Zwillinge, die getrennt bei der Geburt wurden. Wenn die Teilchen sich auch nur geringfügig in ihrer Farbe oder ihrem Timing unterscheiden, können sie nicht verschmelzen, um die Verschränkung zu erzeugen, die für sichere Kommunikation oder verteiltes Rechnen erforderlich ist. Die Herausforderung besteht darin, diese identischen Teilchen aus festen Materialien zu erzeugen, die massenproduziert werden können. Während die Natur einige perfekte Emittenten bietet, sind diese selten und schwer zu kontrollieren. Wissenschaftler suchen seit langem nach einem Weg, ein gewöhnliches, industrielles Material zu nehmen und es so zu manipulieren, dass es Licht mit der für diese empfindlichen Quantenverbindungen erforderlichen Präzision aussendet, um sicherzustellen, dass das Licht über lange Zeiträume stabil bleibt und nicht nur für einen flüchtigen Moment.
In einem kürzlich durchgeführten Experiment demonstrierten Forscher, dass sie diese Stabilität unter Verwendung eines Standard-Industriesemileiters namens Siliziumkarbid erreichen können. In diesem Material identifizierten sie winzige Defekte, sogenannte Silizium-Vakanz-Zentren, die als Einzelquellen für Licht fungieren. Das Team platzierte diese Defekte in spezialisierten elektronischen Strukturen, sogenannten p-i-n-Dioden, die es ermöglichen, die Eigenschaften des Lichts mittels Elektrizität zu steuern. Durch das Anlegen einer spezifischen Spannung konnten sie die Farbe des emittierten Lichts jedes Defekts auf eine präzise Zielvorgabe abstimmen. Sie testeten diese Methode an neunzehn verschiedenen Lichtquellen in zwei separaten Proben. Oh diesem Vorab-Auswählen der besten Quellen bedurft, gelang es ihnen, die Spannung für jede Quelle so anzupassen, dass alle neunzehn Licht mit exakt derselben Frequenz aussendeten. Darüber hinaus verengte die elektrische Steuerung die Streuung der Lichtfarbe, was die Emission extrem rein und konsistent machte.
Die Forscher nahmen daraufhin zwei dieser abgestimmten Lichtquellen und platzierten sie in separaten Kryostaten, die eine Temperatur von vier Kelvin hielten, was nur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt. Diese Kammern wurden in einem Abstand von zwei Metern zueinander positioniert, was die Distanz zwischen den Knotenpunkten in einem zukünftigen Netzwerk simulierte. Sie leiteten das Licht von beiden Quellen zu einem zentralen Punkt, an dem sich die Strahlen überlagerten. Als die Lichtteilchen aus den zwei separaten Standorten aufeinandertrafen, interferierten sie auf eine Weise miteinander, die bewies, dass sie ununterscheidbar waren. Das Experiment zeigte eine hohe Überlappung, wobei die Lichtwellen mit einer Sichtbarkeit von 82 Prozent übereinstimmten. Dieses Maß an Übereinstimmung gilt als Stand der Technik für entfernte Festkörper-Systeme und bestätigt, dass das Licht dieser zwei entfernten Quellen effektiv identisch ist.
Ein entscheidender Teil der Studie war nicht nur, diese Übereinstimmung einmal zu erreichen, sondern dies über die Zeit aufrechtzuerhalten. Quantennetzwerke benötigen Systeme, die über Tage oder Wochen hinweg ohne ständige manuelle Anpassung arbeiten können. Das Team führte sein Experiment kontinuierlich über 26 Tage lang durch und sammelte dabei über 600 Stunden an Daten. Während dieser Zeit drifteten die Lichtquellen aufgrund winziger Schwankungen in ihrer Umgebung in ihrer Frequenz natürlich ab. Das elektrische Steuerungssystem fungierte jedoch als automatischer Stabilisator. Alle zwei Stunden überprüfte das System die Farbe des Lichts und nahm winzige Spannungsanpassungen vor, um es wieder auf die Zielvorgabe zurückzuführen. Dieser Feedback-Loop war so effektiv, dass die Forscher im Durchschnitt nur alle 8,4 Stunden für eine Quelle und alle 19,4 Stunden für die andere eingreifen mussten, um das System zurückzusetzen. Diese langfristige Stabilität ist ein bedeutender Fortschritt, da sie den Aufwand und die Komplexität reduziert, die erforderlich sind, um ein Quantennetzwerk am Laufen zu halten.
Die Ergebnisse legen nahe, dass Silizium-Vakanz-Zentren in industriellem Siliziumkarbid ein lebensfähiger und skalierbarer Baustein für verteilte Quantennetzwerke sind. Durch die Kombination der Fähigkeit, das Licht elektrisch auf eine gemeinsame Frequenz abzustimmen, mit der Kapazität, diese Frequenz über viele Tage aufrechtzuerhalten, haben die Forscher zwei große Hürden auf diesem Gebiet adressiert. Sie bewiesen, dass es möglich ist, hochwertige, ununterscheidbare Photonen aus unabhängig hergestellten Geräten zu erzeugen, ohne sie aus einer seltenen Auswahl herauswählen zu müssen. Die Arbeit zeigt, dass diese Festkörpersysteme in Standard-Elektronikkomponenten integriert und ferngesteuert betrieben werden können, was einen praktischen Weg zur großflächigen Bereitstellung von Quantentechnologien eröffnet.
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