Hybrider Diamantchip verbindet Licht mit Qubits im Labor

Ein zwei Millimeter breiter Chip, auf den Kühlfinger eines Kryostaten geklebt und auf 4 K abgekühlt, leistet nun, was ein Diamant-Qubit braucht, bevor es mit der Außenwelt kommunizieren kann: Er sorgt dafür, dass ein Lichtsignal und ein Quantenbit zuverlässig aufeinander wirken. Das Team an der University of Washington unter Leitung des Erstautors Nicholas S. Yama hat dies gemeinsam mit Kai-Mei C. Fu von der Washington University und dem Pacific Northwest National Laboratory erreicht. Das Ergebnis veröffentlichte es im Fachjournal Optica Quantum.

Bei den betreffenden Qubits handelt es sich um Silizium-Leerstellen-Zentren, kurz SiV-Zentren: Defekte im Diamantkristall, bei denen ein Siliziumatom neben einer leeren Gitterstelle sitzt. Sie speichern Quanteninformationen gut, müssen diese aber als Photonen, also Lichtteilchen, aussenden, um über Distanzen mit anderen Geräten verbunden zu werden. Glasfasernetze könnten diese Photonen transportieren; die Schwierigkeit liegt in der Umwandlung zwischen beiden Welten. Galliumphosphid, bekannt als GaP, gilt seit Langem als Kandidat für die photonische Seite, weil sich darin optische Bauelemente wie Schalter und Modulatoren direkt auf dem Chip realisieren lassen. Bisher lag die GaP-Schicht jedoch räumlich getrennt von den SiV-Zentren, und beide wirkten zu schwach aufeinander, um sie deterministisch zu steuern.

Die Lösung war teils eine Frage der Fertigung, teils eine des Designs. Frühere Bauelemente ätzten den Diamanten, um die Lücke zu schließen; das Team bezeichnet diese Methode als unüblich und schwer skalierbar. Bereits 2023 hatte Fus Gruppe gezeigt, dass sich GaP mit einem skalierbaren Stempelverfahren auf unbearbeiteten Diamant übertragen lässt, die optische Wechselwirkung war dafür aber zu schwach für den praktischen Einsatz. Diesmal entwarfen die Forscher die Struktur neu und bezogen den physischen Abstand in die Optimierung des Bauelements ein. Über mehrere Iterationen steigerten sie die Ausbeute der Stempelübertragung auf nahezu 100 %, und sie fertigten mehr als 600 Resonatoren mit einer Ausbeute von 99,5 %.

Die Messungen zeigen, dass die Kopplung funktioniert. Die Bauelemente erreichten überhöhte Kooperativität, einen Bereich, in dem das vom Bauelement gestreute Licht stark genug ist, um den Spinzustand des SiV-Zentrums sichtbar zu machen. Jeder Spinzustand erzeugte eine eigene spektrale Signatur, sodass das Team verfolgen konnte, wie das Qubit zwischen den Zuständen wechselt. Außerdem behielten die Bauelemente ihre Spin-Relaxationszeiten von über 0,4 Millisekunden bei. Dabei handelt es sich um Laborergebnisse, die an gekühlten Chips mit einem Laser gewonnen wurden; in einem Netzwerk wurden sie bislang nicht reproduziert.

Was das Feld verändert, ist der Weg zu größeren Chips. Yama sagt, die Plattform könne langfristig mehrere SiV-Qubits auf einem einzigen Chip verbinden, wobei Schaltung und Modulation direkt daneben integriert wären, statt von separaten externen Bauteilen geliefert zu werden. Die grundlegende Kopplung sei dafür das erste Teilstück dieses Plans. Die Autoren nennen sichere Kommunikation und Kryptografie als mögliche Anwendungen sowie das Quantencomputing im weiteren Sinne. Die Veröffentlichung legt für keine davon ein Datum fest, und das Team hat den beschriebenen Vernetzungschip mit mehreren Qubits noch nicht gebaut. Vorerst ist der Fortschritt eine funktionierende Schnittstelle zwischen einem Diamant-Qubit und Licht, die sich in der Fertigung im großen Maßstab reproduzieren lässt. Auf diesem Weg ist es der erste Schritt.