Dispositivo escalável e multifuncional estabelece as bases para aplicações quânticas avançadas

Pesquisadores demonstraram um novo dispositivo multifuncional que pode ajudar a avançar a escalabilidade de centros de cores de estado sólido, permitindo que sejam usados ​​em computadores e redes quânticas maiores e mais complexas. Como interfaces eficientes de spin de fótons, os centros de cores de estado sólido são candidatos promissores para nós de qubit — unidades essenciais para armazenar e processar informações quânticas.

Centros de cores de estado sólido são defeitos pontuais que podem absorver e emitir luz em comprimentos de onda específicos. Para serem úteis em aplicações quânticas do mundo real, eles devem ser opticamente endereçáveis ​​de forma rápida e controlável, ao mesmo tempo em que permitem o ajuste fino de suas frequências de transição óptica e manipulação de spin coerente. O novo dispositivo permite todas essas funções simultaneamente em uma plataforma escalável e criogenicamente compatível.

D. Andrew Golter, da MITRE Corporation, apresenta esta pesquisa na Frontiers in Optics + Laser Science (FiO LS), realizada de 23 a 26 de setembro de 2024 no Colorado Convention Center, em Denver.

“As futuras tecnologias quânticas em larga escala exigirão blocos de construção que incluam todas as funcionalidades necessárias, ao mesmo tempo em que mantêm o potencial para escalabilidade massiva”, disse Golter. “Acreditamos que nosso trabalho é um passo importante em direção à engenharia desses blocos de construção.”

Trabalhando sob os auspícios do programa Quantum Moonshot do MITRE, pesquisadores do MITRE, MIT, Sandia National Laboratories e da Universidade do Arizona projetaram um dispositivo de sistema criointegrado em chip que contém centros de cor de vacância de estanho cuja emissão óptica é acoplada a nanoguias de ondas de diamante no chip.

As transições ópticas e de spin do qubit podem ser ajustadas e manipuladas por meio de linhas de micro-ondas integradas, que podem manipular os estados quânticos dos qubits, e cantilevers de atuação de tensão, que podem ser usados ​​para alterar as propriedades eletrônicas e ópticas dos centros de spin.

Além disso, um circuito integrado fotônico de controle de átomos multicanal que apresenta atuação piezoelétrica de alta velocidade fornece excitação óptica independente programável para vários qubits simultaneamente.

Os pesquisadores mostram que cada canal de saída do circuito integrado fotônico de controle de átomos atinge alta extinção (> 35 dB) e comutação óptica de alta velocidade (> 30 MHz) com muito pouca diafonia entre os canais. Os resultados indicam que o novo dispositivo pode ser usado para controle de deformação e micro-ondas de alta fidelidade sobre vários nós de qubit que são acoplados a canais de excitação e coleta ópticos independentes.

“Estamos trabalhando agora para integrar esses dispositivos de controle de qubits do centro de cores com fotônica no chip, com o objetivo de alcançar uma plataforma verdadeiramente escalável para processamento de informações quânticas”, disse Golter.