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A chip two millimetres wide, glued to the cold finger of a cryostat and cooled to 4 K, is now doing what a diamond qubit needs before it can talk to the outside world: it lets a light signal and a quantum bit act on each other reliably. The team at the University of Washington, led by first author Nicholas S. Yama and working with Kai-Mei C. Fu of Washington University and Pacific Northwest National Laboratory, reports the result in the journal Optica Quantum.
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.
The qubits in question are silicon-vacancy centers, or SiV centers: defects in the diamond crystal where a silicon atom sits next to an empty lattice site. They store quantum information well, but they must send it out as photons, particles of light, to connect with other devices across distance. Fiber-optic networks could carry those photons, and the difficulty lies in the conversion between the two. Gallium phosphide, known as GaP, has long been a candidate for the photonic side, because it can host optical components such as switches and modulators directly on the chip. Until now, however, the GaP layer sat physically apart from the SiV centers, and the two interacted too weakly to be controlled deterministically.
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.
The fix was partly a matter of fabrication and partly of design. Earlier devices etched the diamond to close the gap, a method the team describes as nonstandard and hard to scale. In 2023 Fu's group had shown GaP could be transferred onto unmodified diamond with a scalable stamp process, but the optical interaction was too weak for practical use. This time the researchers redesigned the structure, folding the physical separation into the optimisation of the device. Over several iterations they raised the stamp-transfer yield to nearly 100%, and they produced more than 600 cavities with a 99.5% yield.
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 %.
The measurements show that the coupling works. The devices reached above-unity cooperativity, a regime in which the light scattered from the device is strong enough to reveal the spin state of the SiV center. Each spin state gave a distinct spectral signature, so the team could follow the qubit switching between states. The devices also kept their spin-relaxation times above 0.4 milliseconds. These are laboratory results, obtained on cooled chips with a laser, and they have not yet been reproduced in a network.
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.
What changes for the field is the route to larger chips. Yama says the platform could eventually connect several SiV qubits on a single chip, with switching and modulation integrated beside them rather than supplied by separate external parts, and that the fundamental coupling is the first piece of that plan. The authors point to secure communications and cryptography as possible uses, and to quantum computing more broadly. The paper does not set a date for any of these, and the team has not yet built the multi-qubit networking chip it describes. For now, the advance is a working interface between a diamond qubit and light, reproducible at scale in fabrication, and it is the first step on that road.
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.