Kvantteknik är mycket lovande enheter som bearbetar, överför eller lagrar information med hjälp av kvantmekaniska effekter. Istället för att förlita sig på bitar, som klassiska datorer, förlitar sig kvantenheter på sammanflätade kvantbitar, informationsenheter som också kan existera i flera tillstånd (0 och 1) samtidigt.
Ett forskarteam vid University of California Berkeley (UC Berkeley) under ledning av Alp Sipahigil har nyligen visat potentialen i att utnyttja defekter i atomskala på kiselchips, så kallade T-centra, för att skapa små minnesenheter med flera kvantbitar som lagrar kvantinformation (dvs. kvantregister).
Deras artikel, publicerad i Nature Nanotechnology, kan öppna nya möjligheter för utvecklingen av kvantteknik baserad på kisel, som är det mest använda materialet inom elektronikindustrin.
”Kisel-T-centret är ett nytt spin-foton-gränssnitt som kombinerar optiska övergångar i telekom-O-bandet med spin-qubits som uppvisar koherenstider i millisekundskalan”, säger Hanbin Song, huvudförfattare till artikeln, till Phys.org.
”Som en punktdefekt i kisel är T-centret lovande för skalbarhet genom att utnyttja den högpresterande elektronisk-fotoniska integrationen som finns i kisel. I detta arbete visar vi chipkontroll av ett tre-qubit-register med koherenstid upp till ~100 ms med hjälp av ett enda T-center integrerat i en optisk vågledare.”
Utnyttja kvantdefekter för att skapa nya enheter
Under de senaste åren har flera kvantingenjörer och fysiker försökt utveckla kvantteknik som bygger på minnesnoder som innehåller flera kvantbitar, vilka är kopplade till varandra via optiska komponenter. Vissa studier har också lyft fram potentialen i att utnyttja defekter i kisel för att skapa dessa multi-kvantbit-enheter, särskilt T-centra.
Som en del av sin studie satte Song och hennes kollegor sig för att demonstrera potentialen hos T-centra för att hysa flera kvantbitar och skapa minnesnoder med flera kvantbitar. De ville specifikt visa att dessa defekter i kisel kan bibehålla utmärkt kvantkoherens mellan kvantbitar, vilket resulterar i högpresterande fotoniska kvantkomponenter.
För att göra detta skapade de först T-centra, små ljusemitterande defekter, i kisel med hjälp av en teknik som kallas jonimplantering. Denna teknik innebär i huvudsak att man avfyrar elektriskt laddade atomer (dvs. joner) mot ett fast material så att de fastnar i det.
Efter att ha implanterat jonerna i kisel värmde de upp det resulterande chipet med hjälp av en metod som kallas snabb termisk glödgning. Denna värmebaserade metod gör att atomerna kan röra sig något inom materialet och slutligen stabilisera sig i mer stabila positioner för att bilda T-centra. Slutligen skapade teamet små optiska och elektriska strukturer på chipet med hjälp av litografi, en vanlig metod som gör det möjligt för elektronikproducenter att producera önskade mönster på chip.
”Den fotoniska integrationen kopplar effektivt T-centrets fotoluminescens till en optisk fiber för fotoninsamling, medan metallspåren möjliggör spinnkontroll på chipet”, förklarade Song. ”Vi uppnår koherent kontroll av tre-qubit-registret i en kompakt, enhetsintegrerad plattform.”
En lovande väg för att realisera kvantminnen
I de första testerna visade sig den enhet som forskarna skapade fungera mycket bra, genom att producera en sammanflätning mellan de kubiter som bildar registret och behålla kvantinformation i över 100 millisekunder. Teamet visade att kvanttillstånden i systemet kunde läsas med hjälp av optiska tekniker.
”Vi visar att T-centret kan användas som ett tre-kubit kvantregister med ett optiskt gränssnitt”, säger Song. ” Vi realiserade kontrollerade NOT-grindar mellan flera kvantbitar, genererade sammanflätning mellan kärnspinn och mätte upp till 100 ms kärnspinnkoherenstid. Arbetet tyder också på möjligheten att utöka kvantbitregistret med hjälp av 29Si-kärnbad och använda kisel-T-centret som en skalbar multikvantbitminnesnod för kvantkommunikation.”
Det är värt att notera att detta nya multikvantbitregister är baserat på kisel och kan skapas med hjälp av industrikompatibla processer. I framtiden kan det skalas upp för att producera större system för kvantkommunikation och informationsbehandling som består av ett ännu större antal kvantbitar
”Det krävs fortfarande flera framsteg för att realisera en kvantkommunikationsnod baserad på T-centret”, tillägger Song. ”Vi fokuserar nu på att förbättra avläsningen av kvantbitar och minska de optiska linjebredderna för att möjliggöra koherenta spinn-foton-grindar.”
Publiceringsinformation
Hanbin Song et al, Entanglement of a nuclear spin qubit register in silicon photonics, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02066-0