[論文レビュー] Individually Addressable and Spectrally Programmable Artificial Atoms in Silicon Photonics

Mihika Prabhu, Carlos Errando-Herranz+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、シリコン光集積回路（PIC）において個別にアドレス指定可能でスペクトル的にプログラム可能なGセンター人工原子を初めてモノリシックに統合し、1278 nmで単一光子放出を達成した。非不純性のスペクトル幅は1.1 nmであり、励起状態の寿命は8.3 ± 0.7 nsであった。著者らは、非揮発的で光によるトリミング技術を導入し、最大300 pm（55 GHz）のスペクトルシフトを可能にした。これにより、25 GHzの通信グリッドチャネルに発光体を整列可能となり、スケーラブルでVLSI互換性のある量子フォトニクスの道筋が開かれた。

ABSTRACT

Artificial atoms in solids have emerged as leading systems for quantum information processing tasks such as quantum networking, sensing, and computing. A central goal is to develop platforms for precise and scalable control of individually addressable artificial atoms that feature efficient optical interfaces. Color centers in silicon, such as the recently-isolated carbon-related 'G-center', exhibit emission directly into the telecommunications O-band and can leverage the maturity of silicon-on-insulator (SOI) photonics. Here, we demonstrate the generation, individual addressing, and spectral trimming of G-center artificial atoms in a SOI photonic integrated circuit (PIC) platform. Focusing on the neutral charge state emission at 1278nm, we observe waveguide-coupled single photon emission with an exceptionally narrow inhomogeneous distribution with standard deviation of 1.1nm, an excited state lifetime of 8.3$\pm$0.7ns, and no degradation after months of operation. In addition, we introduce a technique for optical trimming of spectral transitions up to 300 pm (55 GHz) and local deactivation of single artificial atoms. This non-volatile "spectral programming" enables the alignment of quantum emitters into 25 GHz telecommunication grid channels. Our demonstration opens the path to quantum information processing based on implantable artificial atoms in very large scale integrated (VLSI) photonics.

研究の動機と目的

• 大規模な量子フォトニクスを実現するため、人工原子をシリコン光集積回路（PIC）にスケーラブルにモノリシック統合すること。
• シリコンベースの色中心を用いることで、従来の量子プラットフォームの限界（モノリシックな製造可能性の欠如、非効率な光学インターフェース）を克服すること。
• Gセンター欠陥をシリコンPICで個別アドレス指定可能かつスペクトル制御可能とし、25 GHz通信周波数グリッドに整列可能とすること。
• 非揮発的で光誘発のスペクトルプログラミングと局所的不活性化を実証し、正確な発光体工学を可能とすること。
• 完全に統合されたシリコンプラットフォーム上で、長期安定性と高精度な量子放出を検証すること。

提案手法

• シリコンオンインサレータ（SOI）技術を用いて、単モード波ガイドおよび高Qファイバー共振器を有するシリコン光集積回路（PIC）のフォトリソグラフィによるプロセス。
• SOIウェーハにGセンター欠陥（C_s-Si_i-C_s）をイオン注入および活性化し、Oバンドで1278 nmの波長で発光する人工原子を形成すること。
• 低温（6 K）での分光測定を目的に、連続波532 nmレーザーを用いた励起により、単一光子放出および2次相関関数を測定すること。
• 集束レーザー照射による光学トリミングを実装し、電荷再配分およびDCスターリング効果による非揮発的スペクトルシフト（最大300 pm）を誘発すること。
• 有限差分固有モードシミュレーションを用いて電場分布をモデル化し、表面電荷効果に起因するスターリングシフトを推定すること。
• 熱的シミュレーションを分析し、局所的加熱がスペクトルシフトの原因でないことを裏付ける。これにより、光誘発電荷変化に起因するスターリング効果の仮説が支持される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個別にアドレス指定可能なGセンター人工原子を、高精度な単一光子放出を実現するシリコン光集積回路にモノリシックに統合可能か？
• RQ2 波ガイド結合型PICプラットフォームにおけるGセンター発光の実現可能なスペクトル幅と安定性はどの程度か？
• RQ3 光学的照射によって非揮発的かつスペクトル的にプログラム可能なGセンター遷移のチューニングが可能か？最大でどの程度のシフトが達成可能か？
• RQ4 観察されたスペクトルシフトの物理的メカニズムは何か？局所的加熱、イオン化、それとも電荷再配分に起因するDCスターリング効果か？
• RQ5 光学制御により個々の発光体の局所的不活性化が可能か？これにより、量子発光体アレイの選択的工学的設計が可能か？

主な発見

• Gセンター欠陥は、波ガイド結合型単一光子放出を示し、非不純性スペクトル幅が1.1 nmと狭く、アレイ全体で高いスペクトル純度と均一性を示している。
• 励起状態の寿命は8.3 ± 0.7 nsと測定され、強い光学的コherenceを確認し、量子情報処理への適性が裏付けられた。
• 連続稼働1ヶ月以上経過後でも、発光強度やスペクトル特性の劣化は観察されず、長期安定性が確認された。
• 光学トリミングにより、非揮発的スペクトルシフトが最大300 pm（55 GHz）まで可能となり、発光体を25 GHz通信グリッドチャネルに正確に整列可能となった。
• スペクトルチューニングは、Si/SiO2界面における光誘発電荷変化に起因するDCスターリングシフトと特定され、推定される電場は約100 MV/mに達し、最大1000 GHzのシフトが可能とされた。
• 熱的シミュレーションにより、局所的加熱がスペクトルシフトの原因でないことが裏付けられ、電荷媒介スターリング効果が熱的要因ではなく、主因であると支持された。