Neuer Fertigungstrick bringt Quantenspeicher aus Diamant näher ans Quantennetz

Quantennetzwerke sollen Quantenrechner über große Entfernungen verbinden. Dafür muss jedes einzelne Photon möglichst verlustfrei durch winzige optische Schaltkreise laufen. Diamant liefert die besten Bausteine für diese Aufgabe: Bestimmte Defekte im Kristallgitter senden einzelne Lichtteilchen aus und halten Quantenzustände fest. Große Schaltkreise lassen sich in Diamant dagegen kaum fertigen. Materialien wie Silizium, Siliziumnitrid oder Lithiumniobat skalieren gut, bieten aber keine vergleichbaren Emitter. Wer beide koppelt, verliert an der Grenzfläche bisher Licht in der Größenordnung von Dezibel. Ein Team um Shuo Sun von der University of Colorado Boulder und Dongyeon Daniel Kang vom Korea Institute of Science and Technology (KIST) stellt nun in Light: Science & Applications einen Fertigungsweg vor, der diesen Verlust drastisch senken soll.

Ein Trichter führt den Diamanten an seinen Platz

Die Forscher:innen schreiben zuerst das Negativ des späteren Schaltkreises in einen Elektronenstrahllack auf Siliziumdioxid. Mit einer Wolframspitze setzen sie einen 200 Nanometer breiten Diamant-Nanobalken vor einen trichterförmigen Eingang und schieben ihn in einen 230 Nanometer breiten Schlitz. Der Trichter korrigiert die Ausrichtung, der enge Schlitz hält den Balken gerade. Danach scheiden sie per Atomlagenabscheidung eine Titandioxid-Schicht ab, ätzen den Überschuss zurück und entfernen den Lack. Der Diamant sitzt anschließend fugenlos im Titandioxid-Schaltkreis. Alle 31 Versuche, einen Balken in einen Schlitz zu setzen, gelangen.

Grenzflächenverlust unter einem Prozent, zumindest in der Simulation

Für den Übergang zwischen einem Diamant-Titandioxid-Lichtleiter und einem reinen Titandioxid-Lichtleiter errechnet die Simulation einen Verlust von weniger als 0,8 Prozent. Experimentell bestimmten die Forscher:innen eine Obergrenze für die Streuung an dieser Stelle: höchstens 1,3 Prozent bei 737 Nanometern. Den Gesamtverlust am Übergang haben sie nicht direkt gemessen.

Lichtverstärkung und Spinsteuerung auf demselben Chip

In einem Resonator aus Diamant und Titandioxid stieg die Lichtemission eines Silizium-Leerstellen-Zentrums auf das 6,1-Fache, sobald die Resonanz passte. Die Lebensdauer des angeregten Zustands sank von 1,78 auf 1,08 Nanosekunden. Daraus leitet das Team einen Purcell-Faktor von mindestens 3,7 ab, also eine durch die Umgebung beschleunigte Lichtabgabe. Theoretisch wären 21 möglich. Die Güte des Resonators erreichte 4.600, die Simulation hatte 120.000 vorhergesagt. Laut den Autor:innen begrenzt die Titandioxid-Fertigung diesen Wert; die Integration trägt dazu nichts bei.

An einem zweiten Chip initialisierten und lasen die Forscher:innen den Spin eines einzelnen Zentrums über den Titandioxid-Lichtleiter aus. Die Spin-Initialisierung erreichte eine Zuverlässigkeit von 72 Prozent, die Spin-Relaxationszeit lag bei 130 Nanosekunden. Zentren in massivem Diamant liefern unter denselben Bedingungen vergleichbare Werte.

Bis zum Quantenrepeater bleibt viel zu tun

Die Messungen liefen bei 5 Kelvin. Die Atomlagenabscheidung arbeitet langsam, und die Spinwerte sind begrenzt. Für einen per inverser Gestaltung optimierten Lichtsammler sagt eine Simulation 84 Prozent Sammeleffizienz voraus. Gebaut haben die Forscher:innen dieses Bauteil noch nicht. Mit besserer Fertigung hält das Team Güten um 20.000 und Purcell-Faktoren über 600 für erreichbar. Ein funktionierender Quantenrepeater oder ein Netz aus vielen Quantenspeichern fehlt bislang. Das Prinzip soll sich auf andere Emitter und Materialien übertragen lassen, sofern sich eine konforme Beschichtung herstellen lässt.