Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

De droom om een quantumcomputer te bouwen die problemen kan oplossen die buiten het bereik liggen van de machines van vandaag, hangt vaak af van één hardnekkige uitdaging: hoe krijg je minuscule lichtdeeltjes, fotonen genoemd, om met elkaar te communiceren op een enkele, piepkleine chip. In de wereld van quantuminformatie fungeren deze fotonen als boodschappers die delicate gegevens door circuits dragen. Om dit op grote schaal werkbaar te maken, hebben wetenschappers een platform nodig waar de lichtbronnen die de fotonen creëren, de kanalen die ze geleiden en de detectoren die ze opvangen, allemaal zijn gemaakt van compatibele materialen en samen op één plek zijn gebouwd. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd deze onderdelen te assembleren met behulp van verschillende materialen, zoals silicium voor de kanalen en speciale halfgeleiders voor de lichtbronnen, maar het dwingen van deze verschillende materialen om samen te werken is als het proberen te lijmen van glas aan rubber; het proces is fragiel, complex en moeilijk op te schalen. Een veelbelovender pad ligt in het gebruik van een familie materialen die bekend staan als van der Waals-materialen, die bestaan uit atomaal dunne vellen die gestapeld kunnen worden als Lego-blokjes zonder dat daar harde chemische bindingen voor nodig zijn, wat een schonere manier biedt om deze geïntegreerde circuits te bouwen.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken een belangrijke stap gezet richting dit doel door succesvol een werkende quantumlichtbron te bouwen die volledig uit deze dunne, stapelbare materialen bestaat. Ze creëerden een apparaat waarbij een specifiek type atomaal dun kristal, gemaakt van wolfraamdiselenide, fungeert als een fabriek voor enkelvoudige fotonen. Dit kristal werd direct bovenop een golfgeleider geplaatst, een microscopisch kanaal gemaakt van een ander kristal genaamd wolfraamdisulfide, dat ontworpen is om het licht op te vangen en langs een pad te leiden. Om het licht uit dit piepkleine kanaal en in een meetinstrument te krijgen, hebben ze een reeks kleine, concentrische ringen in het kanaal gegraveerd, die fungeren als een rooster dat het licht omhoog verstrooit. Het resultaat is een volledig geïntegreerd systeem waarbij het licht wordt gegenereerd, geleid en geëxtraheerd, allemaal op een enkele chip gemaakt van deze tweedimensionale materialen.

De onderzoekers richtten zich op een specifieke truc om de lichtbron helderder en schoner te maken. In plaats van het kristal te raken met een breed spectrum aan licht, gebruikten ze een zeer precieze laser die is afgestemd op een specifiek energieniveau net onder het punt waar het materiaal normaal gesproken licht zou absorberen. Deze methode, bekend als discrete-toestand-excitatie, stelde hen in staat om de emissie van enkelvoudige fotonen te triggeren terwijl ze de ruisachtige achtergrondgloed vermeden die meestal bij andere methoden optreedt. Toen ze het licht dat uit het apparaat kwam testten, ontdekten ze dat het ongelooflijk puur was. In de wereld van de quantumfysica wordt zuiverheid gemeten door hoe vaak een detector twee fotonen ziet aankomen op exact hetzelfde moment; voor een echte single-photon bron zou dit bijna nooit mogen gebeuren. Het team mat deze waarde als extreem dicht bij nul, wat aangeeft dat het apparaat erin slaagde om één foton tegelijk te emitteren met een zeer hoge betrouwbaarheid.

Om te bewijzen dat het licht inderdaad door de golfgeleider reisde en niet zomaar willekeurig naar buiten lekte, zetten de onderzoekers een slimme test op. Ze verzamelden het licht van beide uiteinden van het microscopische kanaal tegelijkertijd. Door de stromen fotonen die aan elk uiteinde aankwamen te vergelijken, konden ze bevestigen dat het licht efficiënt door de chip werd geleid. Deze meting aan twee zijden toonde aan dat de fotonen tussen de twee uiteinden van het kanaal werden gesplitst, waarbij een aanzienlijk aantal fotonen de detectoren bereikte. Ze berekenden dat het apparaat in staat was om honderdduizenden enkelvoudige fotonen per seconde uit te zenden, een snelheid die, wanneer gecorrigeerd voor de verliezen in het systeem, suggereert dat de bron miljoenen fotonen per seconde genereert binnen de golfgeleider. Dit niveau van helderheid en efficiëntie is een grote verbetering ten opzichte van eerdere pogingen met soortgelijke materialen.

Een cruciaal onderdeel van hun succes was de manier waarop ze de materialen stapelden. Ze plaatsten een dunne laag van een materiaal genaamd hexagonaal boornitride tussen de lichtbron en de golfgeleider. Deze laag fungeerde als een beschermende afstandhouder, die voorkwam dat het delicate lichtemitterende kristal barstte wanneer het op de golfgeleider werd geplaatst, terwijl het nog steeds het licht efficiënt in het kanaal kon koppelen. Zonder deze afstandhouder hadden de kristallen de neiging om te breken, wat het apparaat zou ruïneren. Het team ontdekte ook dat het uitgaande licht sterk gepolariseerd was, wat betekent dat de lichtgolven in een specifieke richting trillen, een nuttige eigenschap voor het controleren van hoe het licht zich in toekomstige circuits gedraagt.

De studie beweert niet alle problemen van quantumcomputing te hebben opgelost, maar het demonstreert wel dat een volledige, werkende quantumlichtbron kan worden gebouwd met uitsluitend deze veelzijdige, dunne materialen. De onderzoekers toonden aan dat door de lagen en de vorm van de golfgeleider zorgvuldig te ontwerpen, ze de gebruikelijke moeilijkheden konden overwinnen om licht van een bron naar een kanaal te verplaatsen. Ze weerlegden ook de gedachte dat het licht simpelweg van het oppervlak weerkaatste; de metingen bevestigden dat de fotonen door de golfgeleidermodi reisden. Hoewel het huidige apparaat een prototype is, suggereren de resultaten een duidelijke weg vooruit. Door meer componenten toe te voegen, zoals detectoren en filters gemaakt van dezelfde familie van materialen, zouden wetenschappers uiteindelijk complexe quantumcircuits kunnen bouwen die gemakkelijker te produceren en betrouwbaarder zijn dan de huidige hybride systemen. Dit werk vestigt de van der Waals-platform als een levensvatbaar en krachtig fundament voor de volgende generatie quantumtechnologieën.