[논문 리뷰] Individually Addressable and Spectrally Programmable Artificial Atoms in Silicon Photonics

Mihika Prabhu, Carlos Errando-Herranz외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 04.

Photonic and Optical Devices인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 광학 집적 회로(PICs)에 개별적으로 주소 지정 가능하고 스펙트럼 프로그래밍 가능한 G-center 인공 원자를 최초로 통합하여, 1278 nm에서 단일 광자 방출을 달성하였으며, 비균일한 스펙트럼 폭은 1.1 nm이고, 자극 상태 수명은 8.3 ± 0.7 ns였다. 저자들은 비가역적인 광학 트리밍 기술을 도입하여 최대 300 pm(55 GHz)의 스펙트럼 이동을 가능하게 하여 방출체를 25 GHz 통신 대역 주파수 격자에 정렬시켰으며, 확장 가능한 VLSI 호환성의 양자 광학 기술의 길을 열었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 실리콘 광학 집적 회로(PICs)에 인공 원자를 최초로 통합하여 대규모 양자 광학을 실현하기 위함이다.
• 실리콘 기반 색상 중심을 사용하여 기존 양자 플랫폼의 한계—예를 들어, 통합 제조의 부재와 비효율적인 광학 인터페이스—를 극복하기 위함이다.
• 실리콘 PICs 내에서 G-center 결함을 개별적으로 주소 지정하고 스펙트럼 제어함으로써 25 GHz 통신 주파수 격자에 정렬 가능하게 하기 위함이다.
• 비가역적이고 광학적으로 유도된 스펙트럼 프로그래밍 및 국소적 비활성화를 통해 정밀한 방출체 엔지니어링을 실현하기 위함이다.
• 완전히 통합된 실리콘 플랫폼에서 장기적 안정성과 고정밀도 양자 방출을 검증하기 위함이다.

제안 방법

• 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기술을 사용하여 단모드 웨이브가이드와 고Q 공진기로 구성된 실리콘 광학 집적 회로(PICs)의 제작.
• SOI 웨이퍼에 G-center 결함(C_s-Si_i-C_s)을 이온 주입 및 활성화하여 O밴드에서 1278 nm 방출을 하는 인공 원자를 생성.
• 저온(6 K)에서 연속파 532 nm 레이저를 이용한 분광 측정을 통해 단일 광자 방출 및 두 번째 순서 상관도를 분석.
• 집중된 레이저 조사에 의한 광학 트리밍을 구현하여 전하 재분포 및 DC 스타크 조정을 통해 최대 300 pm의 비가역적 스펙트럼 이동을 유도.
• 유한차분 고유모드 시뮬레이션을 활용하여 전기장 분포를 모델링하고 표면 전하 효과에 의한 스타크 이동을 추정.
• 열 시뮬레이션 분석을 통해 국소적 가열이 스펙트럼 이동의 원인가 아니며, 광유도 전하 변화에 기인한 가설을 지지함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별적으로 주소 지정 가능한 G-center 인공 원자를 실리콘 광학 집적 회로에 최초로 통합하여 고정밀도 단일 광자 방출을 달성할 수 있는가?
• RQ2 웨이브가이드 결합된 PIC 플랫폼에서 G-center 방출의 가시 가능한 스펙트럼 폭과 안정성은 얼마인가?
• RQ3 광학 조사가 비가역적이고 스펙트럼 프로그래밍 가능한 G-center 전이 조정을 가능하게 하는가? 그리고 달성 가능한 최대 이동은 얼마인가?
• RQ4 관측된 스펙트럼 이동의 물리적 메커니즘은 무엇인가? 국소적 가열, 이온화, 또는 전하 재분포에 의한 DC 스타크 조정인가?
• RQ5 광학 제어를 통해 개별 방출체의 국소적 비활성화를 달성할 수 있으며, 이는 양자 방출체 어레이의 선택적 엔지니어링을 가능하게 하는가?

주요 결과

• G-center 결함는 파장 분리된 단일 광자 방출을 보이며, 비균일한 스펙트럼 폭이 1.1 nm로 매우 좁아, 배열 전반에 걸쳐 높은 스펙트럼 순도와 균일성을 나타낸다.
• 자극 상태 수명은 8.3 ± 0.7 ns로 측정되어 강한 광학 간섭성과 양자 정보 응용 분야에 적합함을 확인한다.
• 연속 작동 1개월 이상 동안 방출 강도나 스펙트럼 특성의 열화가 관찰되지 않아 장기적 안정성을 입증한다.
• 광학 트리밍을 통해 최대 300 pm(55 GHz)의 비가역적 스펙트럼 이동이 가능하여, 방출체를 25 GHz 통신 대역 주파수 격자에 정밀하게 정렬할 수 있다.
• 스펙트럼 조정은 Si/SiO2 인터페이스에서 광유도 전하 변화에 기인한 DC 스타크 이동으로 기인하며, 추정 전기장은 약 100 MV/m이고 잠재적 이동은 최대 1000 GHz까지 가능하다.
• 열 시뮬레이션은 국소적 가열이 스펙트럼 이동의 원인가 아니며, 전하 매개 스타크 조정이 열 효과보다 더 타당한 가설임을 지지한다.