Electrically-triggered spin-photon devices in silicon

본 논문은 나노포토닉 소자와 통합된 실리콘 T 중심으로부터 전기적으로 유발된 단일 광자 방출을 최초로 증명하여 고충실도 스핀 초기화를 달성하고 전기적으로 제어 가능한 양자 네트워킹 및 컴퓨팅을 위한 확장 가능한 경로를 확립합니다.

핵심

미래를 위한 초고속·초보안 인터넷을 구축하려 한다고 상상해 보세요. 이 인터넷은 단순한 전기 대신 양자 물리학의 법칙을 활용합니다. 이를 위해 정보 (데이터의 한 비트와 같은) 를 보유하고 다른 '작업자'들과 소통하기 위해 빛 (광자) 으로 전송할 수 있는 작고 신뢰할 수 있는 '작업자'가 필요합니다.

오랫동안 과학자들은 컴퓨터 칩에 사용되는 바로 그 물질인 실리콘 내부에 살 '완벽한 작업자'를 찾아왔습니다. 그들은 T 센터라는 유망한 후보를 발견했습니다. T 센터를 실리콘 결정 내부에 갇힌 작고 빛나는 먼지 알갱이로 생각하세요. 이는 정보를 저장할 수 있는 특별한 '스핀'(작은 팽이와 같은) 을 가지고 있으며, 현재 우리가 사용하는 인터넷의 광섬유 케이블을 통과하기에 완벽한 빛을 발합니다.

그러나 큰 문제가 있었습니다. 지금까지 이 T 센터들을 작동시키려면 외부에서 매우 정밀하고 비싼 레이저를 비춰야 했습니다. 마치 차를 탈 때마다 외부에서 밀어서 시동을 걸어야 하는 것과 같았습니다. 차 안의 스위치만으로는 작동시킬 수 없었습니다.

혁신: 스위치 돌리기
이 논문에서 연구자들은 이러한 T 센터들을 위한 새로운 종류의 '차'를 만들었습니다. 그들은 T 센터 바로 옆에 작은 전자 장치 (다이오드) 를 제작했습니다. T 센터를 깨우기 위해 외부 레이저를 사용하는 대신, 단순히 장치를 통해 전류를 흘려보냈습니다.

• 유사성: 가로등 줄을 상상해 보세요. 이전에는 각 가로등을 켜기 위해 거대한 손전등을 들고 거리를 내려가야 했습니다. 이제 연구자들은 각 전등의 기저부에 스위치를 설치했습니다. 스위치를 누르면, 쾅, 빛이 즉시 켜집니다.

그들이 발견한 것

1. 실리콘에서 나오는 전기 빛: 그들은 전기를 가하기만 하면 T 센터가 빛나게 하는 데 성공했습니다. 이는 전류만을 사용하여 단일 T 센터가 단일 광자 (빛의 단일 입자) 를 방출하게 만든 첫 사례입니다. 마치 실리콘 칩을 양자 물리학의 언어를 구사하는 작은 전기 전구로 만드는 것과 같습니다.
2. ' Herald(신호)' 트릭: 이것이 바로 교묘한 부분입니다. T 센터가 빛날 때, 방출하는 빛의 색은 '스핀'이 가리키는 방향 (위 또는 아래) 에 따라 달라집니다.
   • 연구자들은 특정 색상만 통과시키는 특수 필터 (특정 색상만 통과시키는 선글라스와 같은) 를 사용하여 빛을 관측했습니다.
   • 만약 필터를 통해 빛의 섬광을 보았다면, T 센터의 스핀이 특정 방향으로 설정되었다는 것을 즉시 알 수 있었습니다.
   • 이를 'heralding(신호)'이라고 합니다. 이는 웨이터가 종을 울려 주방에 "4 번 테이블 준비 완료!"라고 알리는 것과 같습니다. 이 경우, '종'(빛의 섬광) 은 컴퓨터에 "메모리 비트가 이제 '1'로 설정되었습니다"라고 알립니다.

왜 이것이 중요한가
연구자들은 전기 스위치를 돌리고 특정 색상의 빛을 관측하는 것만으로 T 센터의 스핀 상태를 매우 높은 정확도 (약 92% 성공률) 로 설정할 수 있음을 보여주었습니다.

• 확장성: 이 방법은 전기를 사용하므로, T 센터 하나하나마다 거대하고 복잡한 레이저 장치가 필요하지 않습니다. 오늘날 전화기에 있는 트랜지스터들처럼, 전기 배선으로 제어되는 수천 개의 T 센터를 단일 칩 위에 배치할 수 있습니다.
• 속도: 레이저를 이동시키는 것보다 전기 스위치가 훨씬 빠르고 제어하기 쉽습니다.

결론
이 논문은 실리콘 칩 안에 사는 양자 '작업자'(T 센터) 를 집안의 전등을 제어하듯 간단한 전기를 사용하여 제어할 수 있음을 증명합니다. 그들은 이러한 작업자들을 켜고, 특정 상태로 설정하며, 외부 레이저 없이 정보를 전송할 준비를 시킬 수 있음을 시연했습니다. 이는 현재 컴퓨터 칩을 만드는 동일한 공장에서 대량 생산 가능한 양자 컴퓨터를 구축하는 데 있어 중요한 한 걸음입니다.

기술 요약

"실리콘 내 전기적으로 유발된 스핀-광자 장치"에 대한 상세한 기술 요약입니다.

1. 문제 제기

확장 가능한 양자 네트워킹 및 컴퓨팅은 고밀도 양자 장치 네트워크를 위한 고속 제어 방법이 필요합니다. 실리콘 컬러 센터와 같은 고체 상태 플랫폼은 기존 반도체 인프라와의 통합 및 확장 가능성을 약속하지만, 이를 제어하는 방식은 일반적으로 복잡한 광학 스위칭 네트워크에 의존합니다. 이 접근 방식은 수천 개의 장치로 확장될 때 상당한 오버헤드를 초래합니다. 또한, 실리콘 T 센터는 우수한 스핀 - 광자 인터페이스 (SPI) 특성 (장수명 스핀, 통신 O 대역 방출) 을 지니고 있음에도 불구하고, 이전 시연들은 주로 광학적 여기에 의존해 왔습니다. 따라서 거대한 광학 스위칭 어레이의 복잡성 없이 온칩에서 병렬 제어를 가능하게 하는 전기적으로 유발된 단일 광자 소스 및 스핀 초기화 방법이 시급히 필요합니다.

2. 방법론

저자들은 실리콘 - 온 - 절연체 (SOI) 플랫폼에서 나노포토닉 도파관/공진기와 측면 p-i-n 다이오드를 결합한 통합 광전소자를 개발했습니다.

• 소자 제작:

  • 플랫폼: 220 nm 장치 층을 가진 상용 (100) SOI 칩.
  • 결함 생성: 실리콘 T 센터는 이온 주입을 통해 생성되었습니다: 전체적인 탄소 ($^{12}$C) 주입 후 활성 영역을 정의하고 도펀트 패시베이션을 최소화하기 위해 마스크 처리된 수소 ($H^+$) 주입을 수행했습니다.
  • 도핑: 오믹 접합을 형성하고 극저온 (1.5 K) 에서 캐리어 동결을 방지하기 위해 고농도의 p 형 (붕소) 및 n 형 (인) 주입 ($>10^{20} \text{ cm}^{-3}$) 을 사용했습니다.
  • 소자 유형: 두 가지 구성이 제작되었습니다:
    1. 테이퍼드 도파관: 영음선 (ZPL) 과 포논 사이드밴드 (PSB) 모두를 위한 격자 커플러 (GC) 와 결합됨.
    2. 포토닉 결정 공진기: 퍼셀 효과를 통해 방출을 증강하도록 설계된 단일 ZPL GC 와 결합된 제로 길이 1 차원 공진기.

• 실험 설정:

  • 소자는 1.5 K 에서 폐쇄 사이클 크리오스탯 내에서 작동되었습니다.
  • 전기적 제어: p-i-n 다이오드를 통해 순방향 바이어스가 인가되었습니다. 단일 광자 실험의 경우, 가열 및 공진기 공명 이동을 최소화하기 위해 펄스 전기 여기 (8 V, 160 kHz 에서 150 ns 펄스) 가 사용되었습니다.
  • 광학적 제어: 광발광 여기 (PLE) 분광법 및 스핀 판독을 위해 공명 광학적 여기가 사용되었습니다.
  • 검출: 방출은 광섬유 어레이를 통해 수집되고 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기 (SNSPD) 및 분광계를 사용하여 검출되었습니다. 배경 결함으로부터 단일 T 센터 방출을 분리하기 위해 스펙트럼 필터링 (자유 공간 대역 통과 + 광섬유 파브리 - 페로 간섭계) 이 사용되었습니다.

3. 주요 기여

1. 실리콘 내 최초의 전기 주입 단일 광자 소스: 이 논문은 실리콘 컬러 센터 (T 센터) 로부터 전기적으로 유발된 단일 광자 방출을 최초로 시연했습니다.
2. 전기적으로 유발된 스핀 초기화: 저자들은 스펙트럼 분해 전계발광 (EL) 을 '허링 (heralding)'하여 T 센터의 전자 스핀 상태를 초기화하는 새로운 방법을 시연함으로써, 초기화를 위한 복잡한 광학 스위칭 네트워크의 필요성을 제거했습니다.
3. 통합 광전소자 플랫폼: 실리콘 내에서 p-i-n 다이오드와 포토닉 공진기 및 도파관의 성공적인 통합을 통해 양자 결함에 대한 동시 전기적 및 광학적 접근을 가능하게 했습니다.

4. 주요 결과

• T 센터 군집에서의 전계발광 (EL):

  • 테이퍼드 도파관 소자는 통신 O 대역 (약 1326 nm) 에서 T 센터 군집으로부터 성공적으로 EL 을 생성했습니다.
  • 250 $\mu$A 전류에서 ZPL 의 최대 카운트율은 198 kcps, PSB 는 111 kcps에 달했습니다.
  • 이 소자들은 온칩 실리콘 LED 로서 기능했습니다.

• 단일 광자 방출:

  • 포토닉 결정 공진기 ($Q \approx 2960$) 에 결합된 단일 T 센터가 전기적으로 여기되었습니다.
  • 펄스 전기 여기 하에서 측정된 2 차 상관 함수는 배경 차감 후 $g^{(2)}(0) = 0.05(2)$를 보여 단일 광자 방출을 확인했습니다.
  • 전기 여기 하에서의 수명은 570 ns로 측정되었으며, 벌크 수명에 비해 1.65 배의 퍼셀 증강 계수를 보였습니다.

• EL 허링을 통한 스핀 초기화:

  • 자기장 (350 mT) 을 인가하여 스핀 의존 광학적 전이 (A, B, C, D) 를 분해했습니다.
  • 저자들은 전기 펄스를 사용하여 스핀 상태를 '리펌 (repump)'하고 스펙트럼 필터링을 통해 최종 스핀 상태를 허링했습니다.
  • 정확도: 바닥 상태 전자 스핀 ($|\downarrow_E\rangle$ 또는 $|\uparrow_E\rangle$) 초기화를 위한 상태 준비 및 측정 (SPAM) 정확도는 **92(8)%**였습니다.
  • 정확도는 현재 다른 결함들로부터의 배경 발광 및 타임 - 빔 크기에 의해 제한되지만, 이 방법은 전기적 스핀 초기화의 개념을 입증했습니다.

5. 중요성 및 영향

• 확장성: 이 연구는 고체 상태 양자 컴퓨터의 확장성에서 발생하는 주요 병목 현상을 해결합니다. 전통적인 광학적 초기화는 각 큐비트마다 개별 광학 스위치가 필요하여 확장 불가능합니다. 제안된 전기적 스핀 초기화는 온칩 필터 및 검출기를 사용하여 수천 개의 T 센터를 병렬로 제어할 수 있게 하며, 크리오-CMOS 회로와 호환됩니다.
• 통신 통합: T 센터는 저손실 O 대역에서 작동하므로 기존 실리콘 포토닉스 및 장거리 양자 네트워크와의 통합에 이상적입니다.
• 다용도성: 실리콘 컬러 센터에서 스핀 상태를 전기적으로 주입, 제어 및 판독할 수 있는 능력을 시연함으로써 T 센터를 양자 메모리와 분산 양자 컴퓨팅 모두를 위한 다용도 플랫폼으로 확립했습니다.
• 미래 응용: 이 기술은 전기적으로 구동되는 양자 네트워크, T 센터 간의 원격 얽힘 분배, 그리고 실리콘 결함을 기반으로 한 확장 가능하고 결함 허용 양자 프로세서 개발의 길을 열었습니다.

요약하자면, 이 논문은 실리콘 T 센터가 전기적 인터페이스를 통해 완전히 제어될 수 있음을 시연함으로써 실용적이고 확장 가능한 양자 하드웨어를 향한 기초적인 단계를 제시하며, 고밀도 병렬 양자 처리를 위한 경로를 제공합니다.