Физики из Городского колледжа Нью-Йорка продемонстрировали новый способ преобразования микроволновых сигналов в свет с помощью магнитных волн внутри многослойного полупроводника.
Эта работа создает материальную платформу для создания интерфейсов, которые смогут связать квантовые компьютеры через оптические сети. Исследование под названием «Преобразование микроволнового излучения в оптическое с помощью магнон-экситонной связи» опубликовано в журнале Nature Materials.
Многие современные квантовые процессоры используют микроволновые сигналы, в то время как свет гораздо лучше подходит для передачи информации на большие расстояния по оптическому волокну. Для их объединения нужен преобразователь — устройство, которое преобразует сигнал из одного частотного диапазона в другой, сохраняя при этом информацию, которую он несет.
Команда исследователей обратилась к бромиду сульфида хрома (CrSBr) — слоистому магнитному полупроводнику. Под воздействием микроволн атомные магнитные моменты в кристалле движутся коллективно, создавая волны, известные как магноны. Эти волны изменяют энергию экситонов — связанных пар электронов и дырок, которые сильно взаимодействуют со светом. В результате лазерный свет, отраженный от кристалла, улавливает когерентный оптический сигнал, который отслеживает микроволновую модуляцию. Этот подход основан на особенно сильном взаимодействии света и вещества вблизи экситонных резонансов.
Преобразование происходило в диапазоне микроволновых частот примерно в 300 мегагерц, а его рабочую частоту можно было регулировать с помощью приложенного магнитного поля. Примечательно, что исследователи наблюдали этот эффект в объемном кристалле без какого-либо оптического или микроволнового резонатора, усиливающего взаимодействие.
Преобразование частоты — обычное дело в современных телекоммуникациях. Преобразование квантовых сигналов — гораздо более сложная задача: полезный квантовый интерфейс должен работать с высокой эффективностью, практически не создавая шума.
В ходе эксперимента был установлен механизм преобразования микроволнового излучения в оптическое. Для достижения более долгосрочной цели — передачи отдельных квантовых состояний — потребуется значительно повысить эффективность и тщательно контролировать уровень дополнительных шумов. В статье указаны несколько способов усиления взаимодействия и повышения эффективности, в том числе использование более тонких магнитных пластин, микроволновых резонаторов и высококачественных оптических резонаторов. Еще одно перспективное направление — разработка экситон-поляритонов, гибридных состояний света и материи, для снижения оптических потерь.