Resonant multi-harmonic acousto-optics for programmable frequency control of visible light in a CMOS platform

In de wereld van quantumcomputing vertrouwen de meest geavanceerde machines vaak op minuscule deeltjes zoals atomen of ionen om informatie op te slaan. Om deze deeltjes te besturen, gebruiken wetenschappers bundels zichtbaar laserlicht, die fungeren als de interface voor het koelen, vangen en uitlezen van de staat van de quantum bits. Echter, naarmate deze systemen groeien van enkele tientallen deeltjes naar potentieel miljoenen, moet de manier waarop we ze besturen veranderen. De huidige methoden vereisen complexe, volumineuze apparatuur om de frequentie van het licht te vormen, en deze aanpak schaalt niet goed. De ideale oplossing zou een minuscule chip zijn die in staat is om hoogwaardig laserlicht met extreem hoge snelheden te manipuleren, passend binnen de strikte fabricagestandaarden van de elektronica-industrie. De uitdaging is het vinden van een materiaal dat de intense kracht van zichtbaar licht kan weerstaan en tegelijkertijd in staat is om de frequentie van het licht zeer snel te veranderen, een taak waar standaard siliciumgebaseerde chips moeite mee hebben.

Een team van onderzoekers heeft nu een apparaat gebouwd dat dit probleem oplost door de kracht van geluidsgolven te combineren met licht op een enkele chip. Ze creëerden een minuscule structuur gemaakt van siliciumnitride, een materiaal dat bekend staat om zijn vermogen om hoogwaardige lasers te verwerken zonder af te breken. Om dit materiaal responsief te maken voor elektrische signalen, hebben ze het gelaagd met aluminiumnitride, dat fungeert als een luidsprekerconus die trilt wanneer er elektriciteit wordt toegepast. Wanneer deze trillingen door het siliciumnitride reizen, creëren ze een bewegend patroon van druk dat de frequentie van het passerende laserlicht verschuift. Dit proces, bekend als acousto-optische modulatie, stelt de onderzoekers in staat om het licht te programmeren om specifieke informatie te dragen. De kerninnovatie is dat ze de chip zo hebben ontworpen dat deze op twee verschillende, gerelateerde snelheden tegelijkertijd trilt, in plaats van slechts één. Dit stelt hen in staat om het licht te vormen tot complexe patronen die voorheen onmogelijk op een enkele chip te creëren waren.

De onderzoekers ontwierpen een microscopische straal, slechts 1,4 micrometer breed, die fungeert als een resonator voor geluidsgolven. Door de breedte van de straal en de kern van het lichtpad daarin zorgvuldig aan te passen, stemden ze de structuur af om te trillen op twee specifieke frequenties: 1,14 gigahertz en 2,28 gigahertz. Deze twee frequenties zijn perfect harmonisch gespatieerd, wat betekent dat de tweede precies de helft van de eerste is. Wanneer de onderzoekers elektrische signalen toepasten om deze trillingen aan te drijven, werkten de twee geluidsgolven samen om het laserlicht te moduleren. In plaats van een eenvoudige, enkelvoudige toonverschuiving in de frequentie van het licht te produceren, maakte de combinatie van de twee trillingen hen in staat om een aangepaste golfvorm te synthetiseren. Deze capaciteit doorbrak een langdurige fysieke limiet. In eerdere single-tone systemen was de maximale hoeveelheid licht die naar een nieuwe frequentie kon worden verschoven beperkt tot ongeveer 33,9 procent. Door de twee harmonisch gespatieerde trillingen te gebruiken, bereikte het team een conversie-efficiëntie van 50 procent, een significante verbetering die de deur opent naar krachtigere quantumcontrole.

De veelzijdigheid van dit nieuwe apparaat werd aangetoond door het creëren van drie verschillende soorten lichtpatronen. Ten eerste maximaliseerden ze het vermogen dat naar een enkele verschoven frequentie wordt gestuurd, waarbij ze de eerder genoemde efficiëntie van 50 procent bereikten. Ten tweede creëerden ze een vlakke, zevenlijnig "kam" van lichtfrequenties, waarbij het vermogen gelijkmatig over zeven afzonderlijke kanalen werd verdeeld met zeer weinig variatie tussen hen. Ten derde ontwiernen ze een single-sideband frequentieverschuiving, wat een zeer gewenste staat is waarbij het licht naar een nieuwe frequentie wordt verschoven terwijl het oorspronkelijke signaal en een ongewenst spiegelbeeld bijna volledig worden onderdrukt. In deze configuratie onderdrukte het apparaat het oorspronkelijke signaal met 60 decibel en het ongewenste beeld met 53 decibel, een precisieniveau dat het hoogst gerapporteerde is voor dit type geïntegreerde modulator. Deze resultaten waren niet alleen theoretisch; de onderzoekers fabriceerden de apparaten in een standaard commerciële fabriek die computerchips produceert, wat bewijst dat deze technologie massaal geproduceerd kan worden. Ze testten 36 apparaten van drie verschillende wafers en vonden dat 91,7 procent van hen perfect werkte zonder dat er aanpassingen nodig waren na de productie.

De implicaties voor quantumtechnologie zijn aanzienlijk. Veel leidende quantumcomputers vertrouwen op atomen zoals rubidium, die interne energietransities hebben die plaatsvinden op frequenties tussen 6 en 12 gigahertz. Het bouwen van mechanische onderdelen die zo snel trillen is extreem moeilijk omdat de onderdelen te klein en fragiel worden om efficiënt te besturen. Dit nieuwe apparaat biedt een slimme workaround. Door de chip aan te drijven op lagere frequenties — specifiek op één derde en één zesde van de doel frequentie — kunnen de onderzoekers de noodzakelijke controlesignalen voor de atomen genereren zonder dat daarvoor een mechanische resonator nodig is die op de volledige, moeilijk te bereiken snelheid trilt. Hun berekeningen tonen aan dat het gebruik van deze lagere-frequentie harmonischen 97 procent van de efficiëntie van een directe aandrijving op de hogere frequentie kan bereiken. Dit betekent dat quantumsystemen gebaseerd op rubidium, cesium, barium en ytterbium met hoge efficiëntie kunnen worden aangestuurd met een platform dat al compatibel is met massaproductie. Het werk demonstreert dat door het mechanische spectrum van een microstructuur te manipuleren, het mogelijk is om de trade-off tussen resonantieversterking en spectrale programmeerbaarheid te overwinnen, wat een schaalbaar pad biedt voor de volgende generatie quantumcontrolesystemen.