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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.
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.
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.
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.
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 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%.
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.
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.
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.
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.