TU Berlin toruje drogę do seryjnej produkcji chipów kwantowych

Schematyczny rysunek skalowalnej platformy z źródłami światła kwantowego, na której zintegrowane są precyzyjnie pozycjonowane punkty kwantowe w nano-rezonatorach.

Prof. Dr. Reitzenstein przed komorą próbek systemu litografii elektronowego strumienia, z którego wytwarzane są wysoce precyzyjne nanostruktury dla skalowalnych źródeł kwantowego światła następnej generacji.

Opticzne kwantowe układy scalone są uważane za kluczowe elementy przyszłych technologii komunikacyjnych i komputerowych. Ich produkcja była dotychczas kosztowna, ponieważ źródła pojedynczych cząstek światła – tak zwane półprzewodnikowe punkty kwantowe – powstawały przypadkowo na chipie i początkowo wymagały skomplikowanej lokalizacji. Naukowcy z Technische Universität Berlin opracowali teraz rozwiązanie tego problemu: dzięki kontrolowanemu wprowadzaniu „stresorów” do podłoża, mogą oni precyzyjnie generować naprężenia materiałowe na powierzchni, co pozwala na celowe wzrost sztucznych atomów w formie półprzewodnikowych punktów kwantowych w wybranych miejscach. Tworzą tym samym podstawę do skalowalnej i przemysłowo kompatybilnej produkcji optycznych układów kwantowych.

Prace powstały pod kierownictwem prof. Stephana Reitzensteina w grupie „Optoelektronika i elementy kwantowe” na Instytucie Fizyki i Astronomii TU Berlin we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Oldenburskiego Carl von Ossietzky. Naukowcy opracowali nową architekturę układów kwantowych, w której tak zwane punkty kwantowe – nanoskopowo małe struktury półprzewodnikowe służące do generowania pojedynczych cząstek światła – są precyzyjnie integrowane na wyznaczonych pozycjach na chipie. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Light: Science & Applications.

Od losowości do celowej produkcji

Punkty kwantowe są uważane za obiecujące źródła pojedynczych cząstek światła (fotonów). Takie cząstki światła stanowią ważną podstawę dla przyszłych zastosowań, takich jak bezpodsłuchowa komunikacja kwantowa, sieci kwantowe, sensorystyka kwantowa czy fotoniczne komputery kwantowe. Dotychczas głównym problemem była jednak losowość ich powstawania: punkty kwantowe tworzyły się podczas wzrostu przypadkowo na materiale półprzewodnikowym. Naukowcy musieli więc najpierw czasochłonnie identyfikować odpowiednie punkty kwantowe, zanim mogli zbudować wokół nich niezbędne struktury fotoniczne. „Dla pojedynczych demonstratorów to podejście było bardzo skuteczne. Jednak jeśli chcemy wyprodukować wiele źródeł światła kwantowego o porównywalnej jakości na jednym chipie, losowe położenie punktów kwantowych staje się główną przeszkodą,” wyjaśnia Kartik Gaur, który opracował elementy kwantowe w ramach swojej pracy doktorskiej. „Nasze podejście przesuwa ten krok już na etap wzrostu kryształu: punkty kwantowe powstają tam, gdzie będą później potrzebne w elemencie fotonicznym.”

Grupa badawcza prof. Reitzensteina opracowała więc metodę, która już podczas wzrostu kryształu wyznacza pozycję punktów kwantowych. Umożliwia to specjalna, ukryta warstwa w podłożu chipu, która precyzyjnie generuje naprężenia materiałowe, kontrolując tym samym wzrost punktów kwantowych. Następnie punkty kwantowe są bezpośrednio integrowane z nanofotonowymi rezonatorami, które szczególnie efektywnie zbierają wyprodukowane światło i udostępniają je do zastosowań w technologii kwantowej.

Wysoka wydajność i powtarzalna jakość

Za pomocą nowej metody naukowcy wyprodukowali układ 6x6 z 36 źródeł światła kwantowego, z których wszystkie elementy działały poprawnie. Osiągnęli w ten sposób doskonałą powtarzalność, rzadko dotychczas spotykaną w kwantowej fotonice opartych na półprzewodnikach. „Prawdziwe znaczenie tej pracy nie tkwi tylko w wysokiej wydajności elementów,” mówi Reitzenstein. „Kluczowe jest, że pokazujemy, jak można zrealizować wydajne źródła światła kwantowego o kontrolowanej jakości i wysokiej powtarzalności na chipie półprzewodnikowym. To odpowiada na główne wyzwanie kwantowej fotoniki: przejście od indywidualnych, zoptymalizowanych demonstratorów laboratoryjnych do skalowalnych, technologicznie użytecznych platform dla przyszłych systemów kwantowych.”

Podstawy dla następnej generacji układów kwantowych

Dodatkowo zespół badawczy szczegółowo zbadał, jak drobne odchylenia w położeniu punktów kwantowych wpływają na wydajność elementów. W tym celu naukowcy połączyli różne techniki obrazowania, spektroskopii i pomiarów kwantowo-optycznych z symulacjami numerycznymi. Prace teoretyczne przeprowadziła grupa prof. Christopha Giesa z Uniwersytetu Oldenburskiego. Modele wyjaśniają, jak dokładne położenie punktów kwantowych wpływa na właściwości generowanych cząstek światła i dostarczają ważnych wskazówek dla rozwoju przyszłych układów kwantowych.

Dowiedziono wysokiej jakości źródeł światła kwantowego

Również wydajność źródeł światła kwantowego została ilościowo potwierdzona. W najlepszych elementach udało się odłączyć niemal połowę wyprodukowanych cząstek światła od chipu do dalszego wykorzystania – co jest bardzo dobrym wynikiem. Jednocześnie czystość kwantowa pojedynczych cząstek światła przekraczała 99 procent. Co więcej, wyprodukowane cząstki światła miały niemal identyczne właściwości kwantowo-optyczne. Jest to ważne dla przyszłych fotonicznych komputerów kwantowych i sieci kwantowych, gdzie wiele cząstek światła musi wchodzić ze sobą w dokładnie takie same interakcje.

Dodatkowe informacje:

Skalowalna platforma fotonowa oparta na kontrolowanych miejscowo punktach kwantowych połączonych z rezonatorami z okrągłym braggowskim siatkowaniem, Kartik Gaur, Avijit Barua, Sarthak Tripathi, Léo J. Roche, Steffen Wilksen, Alexander Steinhoff, Sam Baraz, Neha Nitin, Chirag C. Palekar, Aris Koulas-Simos, Imad Limame, Priyabrata Mudi, Sven Rodt, Christopher Gies & Stephan Reitzenstein

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02343-0