A tunable chiral light–matter interface with on-chip spin control

Auf der Suche nach einem durch Quantenmechanik gesteuerten Internet der Zukunft lernen Wissenschaftler, das seltsame Verhalten von Licht und Materie auf kleinsten Skalen zu nutzen. Ein Schlüsselkonzept auf diesem Gebiet ist die „Chiralität“, eine Eigenschaft, bei der ein Objekt oder eine Wechselwirkung eine ausgeprägte Händigkeit besitzt, ähnlich wie eine linke Hand nicht perfekt mit einer rechten Hand zur Deckung gebracht werden kann. In der Welt des Lichts, das durch winzige Kanäle reist, bedeutet Chiralität, dass die Richtung, in die sich ein Photon bewegt, an seinen Spin gekoppelt ist, also an die Art und Weise, wie es während seiner Reise rotiert. Wenn ein Photon in eine Richtung rotiert, kann es sich nur vorwärts bewegen; wenn es in die andere Richtung rotiert, kann es sich nur rückwärts bewegen. Dieser Einbahnverkehr ist für den Aufbau von Quantennetzwerken unglaublich wertvoll, da er es ermöglicht, Informationen zu leiten, ohne dass sie verloren gehen oder zurückgeworfen werden, um mit sich selbst zu interferieren. Die Herstellung einer perfekten Einbahnstraße für Licht innerhalb eines Computerchips war jedoch schwierig, da die verwendeten Materialien oft zulassen, dass Licht unvollkommen rotiert, was dazu führt, dass einige Photonen in die falsche Richtung entweichen.

Ein Forscherteam hat nun einen Weg gefunden, dieses Problem zu lösen, ohne den physischen Chip neu entwerfen zu müssen. Anstatt zu versuchen, einen perfekten Pfad in das Material zu ritzen, nutzten sie ein externes Magnetfeld, um das Verhalten der lichtemittierenden Atome innerhalb des Chips abzustimmen. Durch die sorgfältige Anpassung des Winkels und der Stärke dieses Magnetfeldes gelang es ihnen, das Licht mit nahezu perfekter Effizienz in eine einzige, gewählte Richtung fließen zu lassen. Dieser Durchbruch verwandelt einen standardmäßigen, unvollkommenen Chip in ein hochpräzises Werkzeug zur Steuerung von Quanteninformationen und eröffnet einen flexiblen Weg zum Aufbau groß angelegter Quantennetzwerke, die entfernte Computer miteinander verbinden können.

Die Forscher arbeiteten mit einem winzigen Bauteil, das als photonischer Kristall-Wellenleiter bekannt ist – im Wesentlichen eine mikroskopische Autobahn für Licht, die in ein Halbleitermaterial geätzt wurde. In dieser Autobahn befindet sich ein einzelner Quantenpunkt, ein nanoskaliger Partikel aus Material, der wie ein künstliches Atom fungiert. Dieser Quantenpunkt enthält ein negativ geladenes Exziton, einen Zustand, in dem ein Elektron und ein „Loch“ (die Abwesenheit eines Elektrons) aneinander gebunden sind und ein Vier-Niveau-System bilden, das mit Licht interagieren kann. In einem typischen Aufbau ist das durch den Wellenleiter wandernde Licht nicht perfekt zirkular polarisiert; es ist leicht elliptisch, was bedeutet, dass es auf eine Weise rotiert, die nicht perfekt rund ist. Diese Unvollkommenheit führt normalerweise dazu, dass Licht in beide Richtungen entweicht, was den Einweg-Effekt ruiniert.

Um dies zu lösen, wandte das Team ein Magnetfeld auf den Chip an. Sie entdeckten, dass sie durch das Neigen des Magnetfelds in einen spezifischen schrägen Winkel die Art und Weise verändern konnten, wie die internen Energieniveaus des Quantenpunkts mit dem Licht interagieren. Diese Anpassung bewirkte effektiv eine Rotation der Orientierung der lichtemittierenden Dipole innerhalb des Punktes. Stellen Sie sich die lichtemittierenden Teile des Atoms wie winzige Antennen vor; das Magnetfeld ermöglichte es den Wissenschaftlern, diese Antennen so zu drehen, dass sie perfekt ausgerichtet waren, um Licht nur in eine Richtung des Wellenleiters zu senden, während sie die Emission in die entgegengesetzte Richtung unterdrückten. Selbst wenn der Wellenleiter selbst nicht perfekt für diese Aufgabe konstruiert war, kompensierte diese magnetische Abstimmung den Fehler. Das Ergebnis war eine gerichtete Emissions-Effizienz von 9-mal 99 Prozent, wobei nur ein winziger Bruchteil des Lichts in die falsche Richtung gelangte.

Über die bloße Lenkung des Lichts hinaus zeigten die Forscher, dass diese magnetische Kontrolle auch dazu genutzt werden kann, das Verhalten des Systems auf komplexere Weise abzustimmen. Sie beobachteten, dass das Magnetfeld eine starke Präferenz für eine bestimmte Art der Lichtemission gegenüber einer anderen erzeugen kann, eine Eigenschaft, die sie als „chirale Verzweigungsrate“ bezeichnen. In einer spezifischen Konfiguration erreichten sie eine Rate, bei der ein bestimmter Übergang 134 Mal wahrscheinlicher ist als ein anderer. Dies ist signifikant, da es den Wissenschaftlern ermöglicht, nicht nur zu steuern, wohin das Licht geht, sondern auch, welcher interne Zustand des Elektrons an dem Prozess beteiligt ist. Diese Ebene der Kontrolle ist essenziell für die Erstellung von „Zyklus-Systemen“, bei denen ein Elektron wiederholt angeregt werden und Licht emittieren kann, ohne seinen Grundzustand zu verändern – eine Voraussetzung, um Quanteninformationen zuverlässig zu lesen und zu schreiben.

Das Team demonstrierte zudem, dass dieser Aufbau dazu verwendet werden kann, den Spin eines Elektrons direkt mithilfe von Licht zu steuern, das durch den Wellenleiter wandert. Durch einen Prozess namens Raman-Streuung, bei dem zwei Photonen mit dem Spin eines Elektrons interagieren, um diesen zu kippen, konnten sie den Zustand des Elektrons mit hoher Präzision rotieren. Dies ist ein entscheidender Schritt für das Quantencomputing, da es beweist, dass Informationen auf dem Chip manipuliert werden können, ohne dass für jede einzelne Operation komplexe externe Verkabelungen erforderlich sind. Das Magnetfeld ermöglichte es ihnen, diesen Prozess zu optimieren, sodass das Licht die Spin-Änderungen effizient vorantrieb und gleichzeitig unerwünschtes Rauschen oder Fehler minimierte.

Schließlich schlugen die Forscher eine Methode vor, um diese Technologie zur Erzeugung von Verschränkung zwischen zwei entfernten Quantencomputern zu nutzen. Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen so miteinander verknüpft sind, dass der Zustand des einen augenblicklich den des anderen beeinflusst, unabhängig von der Entfernung. Ihr Protokoll sieht vor, Licht von zwei separaten Chips in einen zentralen Strahlteiler zu senden. Da das Magnetfeld sicherstellt, dass das Licht mit hoher Effizienz nur in eine Richtung wandert, kann das System ein einzelnes Photon detektieren und basierend auf dieser Detektion bestätigen, dass die beiden entfernten Elektronen-Spins miteinander verschränkt wurden. Die Arbeit legt nahe, dass diese Methode wesentlich robuster gegenüber Signalverlusten ist als bisherige Ansätze, was sie zu einem praktischen Kandidaten für den Aufbau eines realen Quanteninternets macht.

Die Arbeit unterstreicht einen Wandel in der Art und Weise, wie Wissenschaftler nanophotonische Bauteile angehen. Anstatt zu versuchen, eine perfekte, statische Struktur zu bauen, die schwer herzustellen ist, nutzen sie Magnetfelder, um die Eigenschaften des Bauteils dynamisch neu zu konfigurieren. Dieser Ansatz bedeutet, dass standardmäßige, unvollkommene Chips allein durch die Justierung eines externen Reglers auf höchstem Präzisionsniveau aufgerüstet werden können. Die Ergebnisse bieten ein vielseitiges Werkzeugkasten zur Verbesserung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf einem Chip und bieten einen klaren und rekonfigurierbaren Weg zum Aufbau der komplexen Quantennetzwerke, die für die Zukunft benötigt werden.