Chip ibrido in diamante collega luce e qubit in laboratorio

Un chip largo due millimetri, incollato al dito freddo di un criostato e raffreddato a 4 K, sta ora facendo ciò di cui un qubit di diamante ha bisogno prima di potersi interfacciare con il mondo esterno: permette a un segnale luminoso e a un bit quantistico di interagire in modo affidabile. Il team dell'Università di Washington, guidato dal primo autore Nicholas S. Yama e in collaborazione con Kai-Mei C. Fu della Washington University e del Pacific Northwest National Laboratory, riporta il risultato sulla rivista Optica Quantum.

I qubit in questione sono centri silicio-vacanza, o centri SiV: difetti nel cristallo di diamante in cui un atomo di silicio si trova accanto a un sito reticolare vuoto. Immagazzinano bene l'informazione quantistica, ma per collegarsi ad altri dispositivi a distanza devono inviarla sotto forma di fotoni, particelle di luce. Le reti in fibra ottica potrebbero trasportare questi fotoni, e la difficoltà sta nella conversione tra i due. Il fosfuro di gallio, noto come GaP, è da tempo un candidato per il lato fotonico, perché può ospitare direttamente componenti ottici come interruttori e modulatori sul chip. Fino ad ora, però, lo strato di GaP era fisicamente separato dai centri SiV, e i due interagivano troppo debolmente per essere controllati in modo deterministico.

La soluzione è stata in parte una questione di fabbricazione e in parte di progettazione. I dispositivi precedenti incidevano il diamante per colmare il divario, un metodo che il team descrive come non standard e difficile da scalare. Nel 2023 il gruppo di Fu aveva dimostrato che il GaP poteva essere trasferito su diamante non modificato con un processo a stampo scalabile, ma l'interazione ottica era troppo debole per un uso pratico. Questa volta i ricercatori hanno riprogettato la struttura, integrando la separazione fisica nell'ottimizzazione del dispositivo. Dopo diverse iterazioni hanno portato la resa del trasferimento a stampo quasi al 100%, e hanno prodotto oltre 600 cavità con una resa del 99,5%.

Le misure mostrano che l'accoppiamento funziona. I dispositivi hanno raggiunto una cooperatività superiore all'unità, un regime in cui la luce diffusa dal dispositivo è abbastanza intensa da rivelare lo stato di spin del centro SiV. Ogni stato di spin produceva una firma spettrale distinta, così il team ha potuto seguire il passaggio del qubit da uno stato all'altro. I dispositivi hanno inoltre mantenuto tempi di rilassamento dello spin superiori a 0,4 millisecondi. Si tratta di risultati di laboratorio, ottenuti su chip raffreddati con un laser, e non sono ancora stati riprodotti in una rete.

Ciò che cambia per il settore è la strada verso chip più grandi. Yama afferma che la piattaforma potrebbe in futuro collegare diversi qubit SiV su un unico chip, con commutazione e modulazione integrate accanto ad essi anziché fornite da componenti esterni separati, e che l'accoppiamento fondamentale è il primo tassello di questo piano. Gli autori indicano come possibili impieghi le comunicazioni sicure e la crittografia, e più in generale il calcolo quantistico. L'articolo non fissa una data per nessuno di questi obiettivi, e il team non ha ancora realizzato il chip di rete multi-qubit che descrive. Per ora, il progresso è un'interfaccia funzionante tra un qubit di diamante e la luce, riproducibile su scala in fabbricazione, e rappresenta il primo passo su questa strada.