양자 포토닉스에 빛을 비추다
단일 광자의 온칩 생성
날짜:
2023년 1월 18일
원천:
캘리포니아 대학교 - 샌타바버라
요약:
양자의 미래에 대한 소문이 점점 더 커짐에 따라 모든 곳의 연구원들은 중첩, 얽힘, 터널링 또는 다른 방식으로 프라임 타임에 대비한 양자 입자의 약속을 해제하는 최선의 방법을 찾기 위해 초과 근무를 하고 있습니다. 상태는 한 번에 많은 응용 프로그램에서 전력과 효율성을 크게 확장할 수 있습니다.
양자의 미래에 대한 소문이 점점 더 커짐에 따라 모든 곳의 연구원들은 중첩, 얽힘, 터널링 또는 다른 방식으로 프라임 타임에 대비한 양자 입자의 약속을 해제하는 최선의 방법을 찾기 위해 초과 근무를 하고 있습니다. 상태는 한 번에 많은 응용 프로그램에서 전력과 효율성을 크게 확장할 수 있습니다.
그러나 발전적으로 오늘날의 양자 장치는 "컴퓨터가 1950년대에 있었던 위치"에 있으며, 말하자면 시작 단계입니다. 그것은 6년차 박사인 Kamyar Parto에 따른 것입니다. 양자 포토닉스 전문가이자 전기 및 컴퓨터 공학 조교수인 Galan Moody의 UC Santa Barbara 연구실 학생입니다. Parto는 Nano Letters 저널에 게재된 논문의 공동 저자로서 주요 발전 사항을 설명합니다. 즉, 단일 광자의 안정적이고 빠른 스트림을 생성하기 위한 일종의 온칩 "팩토리" 개발이며, 광자 기반을 가능하게 하는 데 필수적입니다. 양자 기술.
파르토는 컴퓨터 개발 초기 단계에서 "연구원들이 방금 트랜지스터를 만들었고 디지털 스위치를 만드는 방법에 대한 아이디어가 있었지만 플랫폼이 약했다. 서로 다른 그룹이 서로 다른 플랫폼을 개발했고 결국 모두가 수렴했다"고 설명했다. on CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) 그때 우리는 반도체 주변에서 엄청난 폭발을 일으켰습니다.
"양자 기술은 비슷한 위치에 있습니다. 우리는 그것으로 무엇을 할 수 있는지에 대한 아이디어와 감각을 가지고 있으며 많은 경쟁 플랫폼이 있지만 아직 확실한 승자는 없습니다."라고 그는 계속했습니다. "초전도 큐비트, 실리콘 스핀 큐비트, 정전기 스핀 큐비트 및 이온 트랩 기반 양자 컴퓨터가 있습니다. Microsoft는 위상학적으로 보호된 큐비트를 시도하고 있으며 Moody Lab에서는 양자 포토닉스를 연구하고 있습니다."
Parto는 각각이 강력하지만 한계도 있다는 점을 감안할 때 서로 다른 플랫폼의 조합이 승리하는 플랫폼이 될 것이라고 예측합니다. "예를 들어, 빛은 움직이는 것을 좋아하기 때문에 양자 광자를 사용하여 정보를 전송하는 것은 매우 쉽습니다."라고 그는 말했습니다. "그러나 스핀 큐비트는 정보를 저장하고 그것에 대한 일부 로컬 '작업'을 더 쉽게 수행할 수 있게 해주지만 해당 데이터를 이동할 수는 없습니다. 따라서 포토닉스를 사용하여 데이터를 더 잘 저장하고 일단 거기에 있으면 다른 형식으로 다시 변환하는 플랫폼?"
이상하게 작동하는 양자 기술의 드라이버인 큐비트는 물론 0 또는 1의 단일 상태로만 존재할 수 있는 기존 비트와 다릅니다. 큐비트는 1이면서 동시에 0이 될 수 있습니다. 포토닉스 영역에서 단일 광자는 존재(상태 1) 및 존재하지 않음(상태 0) 모두로 만들 수 있다고 Parto는 말했습니다.
그것은 단일 광자가 소위 2단계 시스템을 구성하기 때문입니다. 즉, 0 상태, 1 상태 또는 50% 1과 50% 0 또는 80% 1과 50% 0과 같은 조합으로 존재할 수 있음을 의미합니다. 20% 제로. 이것은 Moody 그룹에서 일상적으로 수행할 수 있습니다. 문제는 도파관을 사용하여 칩에 라우팅하는 것과 같이 매우 높은 효율로 단일 광자를 생성하고 수집하는 것입니다. 도파관은 와이어가 전기를 안내하는 것처럼 빛이 가야 할 곳으로 빛을 안내하여 이름에서 알 수 있는 것과 정확히 일치합니다.
Parto는 다음과 같이 설명했습니다. "이 단일 광자를 여러 다른 도파관(각 도파관에 천 개의 단일 광자)에 넣고 광자가 칩의 도파관을 따라 이동하는 방식을 조정하면 양자 계산을 수행할 수 있습니다."
도파관을 사용하여 광자를 칩에 전달하는 것은 상대적으로 간단하지만 단일 광자를 분리하는 것은 쉽지 않으며 수십억 개의 광자를 빠르고 효율적으로 생성하는 시스템을 설정하는 것이 훨씬 더 어렵습니다. 새로운 논문은 이전에 달성된 것보다 훨씬 더 큰 효율성으로 단일 광자를 생성하기 위해 독특한 현상을 사용하는 기술을 설명합니다.
"이 작업은 실제 응용 프로그램에 유용하도록 이러한 단일 광자의 생성을 증폭하는 것입니다."라고 Parto는 말했습니다. "이 논문에서 설명된 돌파구는 우리가 이제 CMOS의 대량 생산 공정에 적합한 방식으로 실온에서 안정적으로 단일 광자를 생성할 수 있다는 것입니다."
단일 광자를 생성하는 방법에는 여러 가지가 있지만, Parto와 그의 동료들은 단 하나의 원자 두께인 특정 2차원(2D) 반도체 재료의 결함을 사용하여 본질적으로 약간의 재료를 제거하여 광자를 생성합니다. 결함.
"(레이저에서 생성된) 빛을 올바른 종류의 결함에 비추면 재료는 단일 광자를 방출하여 반응할 것입니다."라고 Parto는 덧붙였습니다. "재료의 결함은 속도 제한 상태라고 하는 역할을 합니다. 한 번에 하나씩 단일 광자를 밀어내는 공장처럼 작동할 수 있습니다." 하나의 광자는 3~5나노초마다 자주 생성될 수 있지만 연구원들은 아직 그 속도를 확신하지 못하고 있으며 박사 학위를 취득한 Parto는 다음과 같이 말했습니다. 이러한 결함을 엔지니어링하는 주제에 대해 현재 속도가 훨씬 느려질 수 있다고 말합니다.
2D 재료의 큰 장점은 특정 위치에서 결함을 설계할 수 있다는 것입니다. 또한 Parto는 "재료가 매우 얇기 때문에 3D 크리스탈 재료의 격자 형상에 의해 제약을 받지 않고 다른 재료 위에 올려 놓을 수 있습니다. 따라서 2D 재료를 매우 쉽게 통합할 수 있습니다. 이 종이에 보여줘."
유용한 장치를 만들려면 2D 재료의 결함을 극한의 정밀도로 도파관에 배치해야 합니다. "결함에서 빛을 생성하는 재료에는 한 지점이 있습니다."라고 Parto는 말했습니다. "그리고 우리는 그 단일 광자를 도파관으로 가져와야 합니다."
연구원들은 예를 들어 도파관에 재료를 놓고 기존의 단일 결함을 찾는 등 몇 가지 방법으로 시도하지만 결함이 정확하게 정렬되고 정확히 올바른 위치에 있더라도 추출 효율은 20~30%에 불과합니다. 이는 단일 결함이 하나의 특정 속도로만 방출할 수 있고 일부 빛은 도파관 경로를 따라 직접 방출되기보다는 비스듬한 각도로 방출되기 때문입니다. 그 디자인의 이론적 상한선은 40%에 불과하지만 양자 정보 애플리케이션에 유용한 장치를 만들려면 99.99%의 추출 효율이 필요합니다.
"결함에서 나오는 빛은 본질적으로 모든 곳에서 빛나지만 우리는 빛이 이러한 도파관에 비치는 것을 선호합니다."라고 Parto는 설명했습니다. "우리에게는 두 가지 선택이 있습니다. 결함 위에 도파관을 놓으면 빛의 10~15%가 도파관으로 들어갈 것입니다. 그것만으로는 충분하지 않습니다. 하지만 Purcell 효과라는 물리적 현상이 있습니다. 우리가 활용할 수 있습니다. 이 효율성을 높이고 더 많은 빛을 도파관으로 보내려면 광학 공동 내부에 결함을 배치하면 됩니다. 우리의 경우에는 마이크로 링 공진기 모양입니다. 빛을 도파관 안팎으로 연결합니다.
"공동이 충분히 작으면 전자기장의 진공 요동을 짜낼 것이며 이러한 요동은 결함에서 빛의 모드로 광자가 자발적으로 방출되는 원인입니다. 그 양자 요동을 압착함으로써 유한한 부피의 공동으로 결함에 대한 변동이 증가하여 링으로 우선적으로 빛을 방출하게 하고 가속되고 더 밝아지므로 추출 효율이 증가합니다."
이 논문을 위해 수행된 마이크로 링 공진기를 사용한 실험에서 팀은 이전 보고서보다 10배 증가한 46%의 추출 효율을 달성했습니다.
Moody는 "2D 재료의 단일 광자 방출기가 확장성 및 제조 가능성 측면에서 다른 재료가 직면한 몇 가지 뛰어난 문제를 해결하기 때문에 이러한 결과에 정말 고무되었습니다."라고 말했습니다. "단기적으로 우리는 양자 통신에서 몇 가지 다른 응용 프로그램을 위해 그것들을 사용하는 것을 탐구할 것이지만 장기적으로 우리의 목표는 양자 컴퓨팅 및 네트워킹을 위한 이 플랫폼을 계속 개발하는 것입니다."
이를 위해 그룹은 효율성을 99% 이상으로 개선해야 하며 이를 달성하려면 고품질 질화물 공진기 링이 필요합니다. "효율성을 높이려면 실리콘 질화물 필름에서 링을 조각할 때 링을 매끄럽게 만들어야 합니다."라고 Parto는 설명했습니다. "그러나 재료 자체가 완전히 결정질이 아닌 경우 원자 수준에서 매끄럽게 하려고 해도 표면이 여전히 거칠고 스펀지처럼 보일 수 있어 빛이 산란될 수 있습니다."
일부 그룹은 질화물을 완벽하게 성장시키는 회사에서 구매하여 최고 품질의 질화물을 얻는 반면, Parto는 "우리는 재료 아래에 결함을 넣어야 하기 때문에 직접 성장시켜야 합니다. 단일 광자 애플리케이션을 위한 배경 조명을 최소화하는 질화규소 유형인데 회사에서는 그렇게 하지 않습니다."
Parto는 UCSB의 클린룸에 있는 플라즈마 강화 화학 기상 증착 오븐에서 질화물을 성장시킬 수 있지만 많이 사용되는 공유 시설이기 때문에 충분한 품질의 재료를 성장시킬 수 있는 일부 설정을 사용자 정의할 수 없습니다. 계획은 이러한 결과를 사용하여 "자체 도구를 확보하고 이 작업을 수행할 학생을 고용"할 수 있도록 하는 새로운 보조금을 신청하는 것이라고 그는 말합니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/