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

In de zoektocht naar het bouwen van een toekomstige internet dat wordt aangedreven door kwantummechanica, leren wetenschappers het vreemde gedrag van licht en materie op de kleinste schaal te beheersen. Een kernidee in dit veld is "chiraliteit", een eigenschap waarbij een object of interactie een duidelijke handigheid heeft, vergelijkbaar met hoe een linkerhand niet perfect kan worden samengevoegd met een rechterhand. In de wereld van licht dat door minuscule kanalen reist, betekent chiraliteit dat de richting waarin een foton beweegt, gekoppeld is aan zijn spin, of de manier waarop het draait terwijl het reist. Als een foton de ene kant op draait, kan het alleen vooruit bewegen; als het de andere kant op draait, kan het alleen achteruit bewegen. Dit eenrichtingsverkeer is ongelooflijk waardevol voor het bouwen van kwantumnetwerken, omdat het informatie mogelijk maakt om te worden gerouteerd zonder verloren te gaan of terug te stuiteren om met zichzelf te interfereren. Het is echter moeilijk geweest om een perfecte eenrichtingsweg voor licht binnen een computerchip te creëren, omdat de gebruikte materialen licht vaak op imperfecte manieren laten draaien, waardoor sommige fotonen in de verkeerde richting lekken.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om dit probleem op te lossen zonder de fysieke chip zelf te hoeven herontwerpen. In plaats van te proberen een perfect pad in het materiaal uit te snijden, gebruikten ze een extern magnetisch veld om het gedrag van de lichtemitterende atomen binnen de chip af te stemmen. Door de hoek en de sterkte van het magnetische veld zorgvuldig aan te passen, waren ze in staat om het licht met bijna perfecte efficiëntie in één gekozen richting te laten stromen. Deze doorbraak verandert een standaard, imperfecte chip in een uiterst precies instrument voor het beheersen van kwantuminformatie, wat een flexibel pad opent naar het bouwen van grootschalige kwantumnetwerken die verre computers kunnen verbinden.

De onderzoekers werkten met een minuscuul apparaat dat een fotonische kristalgolfgeleider wordt genoemd, wat in essentie een microscopische snelweg voor licht is die in een halfgeleider is geëtst. Binnen deze snelweg bevindt zich een enkele kwantumdot, een nanoschaal brok materiaal dat fungeert als een kunstmatig atoom. Deze kwantumdot bevat een negatief geladen exciton, een toestand waarin een elektron en een "gat" (de afwezigheid van een elektron) aan elkaar gebonden zijn, wat een vier-niveau systeem vormt dat met licht kan interageren. In een typische opstelling is het licht dat door de golfgeleider reist niet perfect circulair gepolariseerd; het is licht elliptisch, wat betekent dat het op een manier draait die niet perfect rond is. Deze imperfectie zorgt er gewoonlijk voor dat het licht in beide richtingen lekt, wat het eenrichtingseffect verpest.

Om dit op te lossen, bracht het team een magnetisch veld aan op de chip. Ze ontdekten dat ze door het magnetische veld onder een specifieke schuine hoek te kantelen, de manier konden veranderen waarop de interne energieniveaus van de kwantumdot interageren met het licht. Deze aanpassing roteert effectief de oriëntatie van de lichtemitterende dipolen binnen de dot. Stel je de lichtemitterende delen van het atoom voor als kleine antennes; het magnetische veld stelde de wetenschappers in staat om deze antennes zo te draaien dat ze perfect uitgelijnd waren om licht alleen in één richting door de golfgeleider te sturen, terwijl ze emissie in de tegenovergestelde richting elimineerden. Zelfs al was de golfgeleider zelf niet perfect ontworpen voor deze taak, de magnetische afstemming compenseerde de fout. Het resultaat was een directionele emissie-efficiëntie van 99 procent, waarbij slechts een fractie van het licht de verkeerde kant op ging.

Naast het simpelweg richten van het licht, toonden de onderzoekers aan dat deze magnetische controle ook kon worden gebruikt om te bepalen hoe het systeem op complexere manieren reageert. Ze observeerden dat het magnetische veld een sterke voorkeur kon creëren voor één type lichtemissie boven een ander, een eigenschap die zij een "chirale vertakkingsratio" noemen. In één specifieke configuratie bereikten ze een ratio waarbij één type transitie 134 keer waarschijnlijker was dan een ander. Dit is significant omdat het wetenschappers in staat stelt om niet alleen te controleren waar het licht heen gaat, maar ook welke interne toestand van het elektron bij het proces betrokken is. Dit niveau van controle is essentieel voor het creëren van "cyclische" systemen, waarbij een elektron herhaaldelijk geëxciteerd kan worden en licht kan emitteren zonder zijn fundamentele toestand te veranderen, een vereiste voor het betrouwbaar lezen en schrijven van kwantuminformatie.

Het team demonstreerde ook dat deze opstelling gebruikt kon worden om direct de spin van een elektron te controleren met behulp van licht dat door de golfgeleider reist. Door een proces genaamd Raman-verstrooiing te gebruiken, waarbij twee fotonen interageren om de spin van een elektron te flippen, waren ze in staat de toestand van het elektron met hoge precisie te roteren. Dit is een cruciale stap voor kwantumcomputing, aangezien het bewijst dat informatie op de chip gemanipuleerd kan worden zonder dat er voor elke operatie complexe externe bedrading nodig is. Het magnetische veld stelde hen in staat om dit proces te optimaliseren, waardoor het werd gewaarborgd dat het licht de spinveranderingen efficiënt aanstuurde terwijl ongewenste ruis of fouten werden geminimaliseerd.

Ten slotte stelden de onderzoekers een methode voor om deze technologie te gebruiken om verstrengeling tussen twee verre kwantumcomputers te creëren. Verstrengeling is een fenomeen waarbij twee deeltjes verbonden zijn, zodat de toestand van de een onmiddellijk invloed heeft op de ander, ongeacht de afstand. Hun protocol houdt in dat licht van twee afzonderlijke chips naar een centrale beam splitter wordt gestuurd. Omdat het magnetische veld ervoor zorgt dat het licht met hoge efficiëntie slechts in één richting reist, kan het systeem een enkel foton detecteren en, op basis van die detectie, bevestigen dat de twee verre elektronenspins verstrengeld zijn geraakt. De publicatie suggereert dat deze methode veel robuuster is tegen signaalverlies dan eerdere benaderingen, wat het een praktische kandidaat maakt voor het bouwen van een echt werkend kwantuminternet.

Het werk benadrukt een verschuiving in de manier waarop wetenschappers nanofotonische apparaten benaderen. In plaats van te proberen een perfecte, statische structuur te bouwen die moeilijk te fabriceren is, gebruiken ze magnetische velden om de eigenschappen van het apparaat dynamisch te herconfigureren. Deze aanpak betekent dat standaard, imperfecte chips kunnen worden geüpgraded om op het hoogste niveau van precisie te presteren, simpelweg door een externel regel aan te passen. De bevindingen bieden een veelzijdige toolkit voor het verbeteren van de interactie tussen licht en materie op een chip, en bieden een heldere en herconfigureerbare route naar het bouwen van de complexe kwantumnetwerken die nodig zijn voor de toekomst.