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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.
Une puce de deux millimètres de large, collée au doigt froid d’un cryostat et refroidie à 4 K, fait désormais ce qu’un qubit en diamant doit accomplir avant de pouvoir communiquer avec le monde extérieur : elle permet à un signal lumineux et à un bit quantique d’agir l’un sur l’autre de façon fiable. L’équipe de l’Université de Washington, dirigée par le premier auteur Nicholas S. Yama et travaillant avec Kai-Mei C. Fu, de l’Université Washington et du Pacific Northwest National Laboratory, publie ce résultat dans la revue 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.
Les qubits concernés sont des centres lacune-silicium, ou centres SiV : des défauts du cristal de diamant où un atome de silicium occupe la place d’un site vide du réseau. Ils stockent bien l’information quantique, mais doivent l’envoyer sous forme de photons, des particules de lumière, pour se connecter à d’autres dispositifs à distance. Les réseaux de fibre optique pourraient transporter ces photons, et la difficulté réside dans la conversion entre les deux. Le phosphure de gallium, connu sous le sigle GaP, est depuis longtemps un candidat pour la partie photonique, car il peut accueillir directement sur la puce des composants optiques tels que des commutateurs et des modulateurs. Jusqu’ici, toutefois, la couche de GaP était physiquement séparée des centres SiV, et les deux interagissaient trop faiblement pour être contrôlés de façon déterministe.
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.
La solution tenait en partie à la fabrication, en partie à la conception. Les dispositifs précédents gravaient le diamant pour combler l’écart, une méthode que l’équipe qualifie de non standard et difficile à mettre à l’échelle. En 2023, le groupe de Fu avait montré que le GaP pouvait être transféré sur du diamant non modifié grâce à un procédé extensible par tampon, mais l’interaction optique était trop faible pour un usage pratique. Cette fois, les chercheurs ont repensé la structure en intégrant la séparation physique à l’optimisation du dispositif. Après plusieurs itérations, ils ont porté le rendement du transfert par tampon à près de 100 %, et ont produit plus de 600 cavités avec un rendement de 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.
Les mesures montrent que le couplage fonctionne. Les dispositifs ont atteint une coopérativité supérieure à l’unité, un régime dans lequel la lumière diffusée par le dispositif est assez intense pour révéler l’état de spin du centre SiV. Chaque état de spin produit une signature spectrale distincte, ce qui a permis à l’équipe de suivre le qubit passant d’un état à l’autre. Les dispositifs ont aussi conservé des temps de relaxation de spin au-delà de 0,4 milliseconde. Il s’agit de résultats de laboratoire, obtenus sur des puces refroidies et à l’aide d’un laser, et ils n’ont pas encore été reproduits dans un réseau.
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.
Ce qui change pour le domaine, c’est la voie vers des puces plus grandes. Yama estime que la plateforme pourrait à terme relier plusieurs qubits SiV sur une seule puce, avec la commutation et la modulation intégrées à leurs côtés plutôt que fournies par des composants externes distincts, et que le couplage fondamental constitue la première pièce de ce plan. Les auteurs évoquent les communications sécurisées et la cryptographie comme usages possibles, ainsi que l’informatique quantique de façon plus générale. L’article ne fixe de date pour aucun de ces usages, et l’équipe n’a pas encore construit la puce de mise en réseau multi-qubits qu’elle décrit. Pour l’heure, l’avancée est une interface fonctionnelle entre un qubit en diamant et la lumière, reproductible à grande échelle en fabrication, et c’est le premier pas sur cette voie.