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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.
Um chip com dois milímetros de largura, colado ao dedo frio de um criostato e arrefecido a 4 K, faz agora o que um qubit de diamante precisa para comunicar com o exterior: permite que um sinal luminoso e um bit quântico atuem um sobre o outro de forma fiável. A equipa da Universidade de Washington, liderada pelo primeiro autor Nicholas S. Yama e em colaboração com Kai-Mei C. Fu, da Washington University, e do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, descreve o resultado na revista 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.
Os qubits em causa são os centros de silício-vacância, ou centros SiV: defeitos na estrutura cristalina do diamante em que um átomo de silício se encontra junto a um sítio vazio da rede. Armazenam bem a informação quântica, mas têm de a enviar sob a forma de fotões, partículas de luz, para se ligarem a outros dispositivos à distância. As redes de fibra ótica poderiam transportar esses fotões, e a dificuldade está na conversão entre os dois. O fosfeto de gálio, conhecido por GaP, é há muito um candidato para o lado fotónico, porque pode alojar diretamente no chip componentes óticos como comutadores e moduladores. Até agora, porém, a camada de GaP estava fisicamente separada dos centros SiV, e os dois interagiam fracamente demais para serem controlados de forma determinística.
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.
A solução foi em parte uma questão de fabrico e em parte de conceção. Os dispositivos anteriores gravavam o diamante para fechar a distância, um método que a equipa descreve como não padronizado e difícil de escalar. Em 2023, o grupo de Fu tinha demonstrado que o GaP podia ser transferido para diamante não modificado através de um processo escalável de carimbagem, mas a interação ótica era fraca demais para uso prático. Desta vez, os investigadores redesenharam a estrutura, incorporando a separação física na otimização do dispositivo. Ao longo de várias iterações, elevaram o rendimento da transferência por carimbo para quase 100 %, e produziram mais de 600 cavidades com um rendimento 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.
As medições mostram que o acoplamento funciona. Os dispositivos atingiram a cooperatividade acima da unidade, um regime em que a luz dispersa pelo dispositivo é suficientemente intensa para revelar o estado de spin do centro SiV. Cada estado de spin produziu uma assinatura espectral distinta, pelo que a equipa conseguiu acompanhar a comutação do qubit entre estados. Os dispositivos mantiveram também os tempos de relaxação de spin acima de 0,4 milissegundos. Trata-se de resultados de laboratório, obtidos em chips arrefecidos com um laser, e ainda não foram reproduzidos numa rede.
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.
O que muda para a área é o caminho para chips maiores. Yama afirma que a plataforma poderá, com o tempo, ligar vários qubits SiV num único chip, com a comutação e a modulação integradas ao lado deles em vez de fornecidas por componentes externos separados, e que o acoplamento fundamental é a primeira peça desse plano. Os autores apontam as comunicações seguras e a criptografia como possíveis utilizações, bem como a computação quântica em termos mais gerais. O artigo não fixa data para nenhuma destas aplicações, e a equipa ainda não construiu o chip de rede multiqubit que descreve. Para já, o avanço é uma interface funcional entre um qubit de diamante e a luz, reprodutível em escala no fabrico, e é o primeiro passo nesse caminho.