量子物理学：ハイブリッドフォトニック回路における人工原子の大規模集積
Nature 583, 7815 doi: 10.1038/s41586-020-2441-3
量子コンピューターや長距離量子ネットワークの開発における中心的な課題は、個々に制御可能な多数のキュービットにエンタングルメントを配送することである。ダイヤモンドの色中心は、オンデマンドの遠隔エンタングルメント、10個を超える補助キュービットにわたるコヒーレンス時間が分の長さのコヒーレント制御、メモリー増強量子通信を可能にすることから、主要な固体「人工原子」キュービットとして浮上した。次の重要な段階は、多数の人工原子とフォトニックアーキテクチャーを集積して、大規模な量子情報処理システムを実現することである。これまで、こうした取り組みは、キュービットの不均一性、低いデバイス歩留まり、複雑なデバイス要件によって妨げられてきた。今回我々は、極めてコヒーレントな色中心を含むダイヤモンド導波路アレイ「量子マイクロチップレット」を、フォトニック集積回路（PIC）に高い歩留まりで不均一集積するプロセスについて報告する。我々は、このプロセスを使って、窒化アルミニウムPIC中でゲルマニウム空孔色中心とシリコン空孔色中心の128チャネルの無欠陥アレイを実現した。フォトルミネッセンス分光法によって、ゲルマニウム空孔エミッターの平均光学線幅が、寿命に制限される線幅32 MHzに近い、54 MHzという長期間安定した狭いものであることが明らかになった（シリコン空孔では寿命制限線幅93 MHzに近い146 MHz）。我々は、個々の色中心の光学遷移の不均一性を、50 GHzを超える統合された調整によって、線幅を劣化することなくin situで補償できることを示す。今回、ほぼ区別できない調整可能な人工原子を多数集めて位相安定なPICを作製できたことは、多重化量子中継器や汎用量子プロセッサーへの重要な一歩である。
