Silné spárovanie fotónu s nábojom v kvantovej dvojbodke umožnené supravodivými rezonátormi z granulárneho hliníka

Pri vývoji kvantových počítačov v súčasnosti čelíme zásadnej technologickej výzve: ako rozšíriť súčasné systémy s niekoľkými stovkami kvantových bitov (qubitov) na milióny qubitov na jednom čipe. Spiny elementárnych nábojov uväznené v kvantových bodkách sú považované za sľubného kandidáta pre škálovanie qubitov najmä vďaka ich kompaktnej veľkosti, ale aj dlhej koherencii a nastaviteľným vlastnostiam. Avšak tento typ qubitov má významné obmedzenie: ich prirodzená väzba je sprostredkovaná tzv. kvantovou výmennou, interakciou s krátkym dosahom (približne 100 nm), ktorá je obmedzená na najbližších susedov.
Aby sme tento problém vyriešili a umožnili komunikáciu medzi qubitmi na väčšie vzdialenosti, je potrebné vyvinúť kvantové interakcie qubitov s dlhým dosahom (približne 1 mm). Takáto interakcia by mohla byť sprostredkovaná fotónmi, prostredníctvom koherentnej spin-fotónovej väzby. „Dosiahnuť silné spárovanie medzi fotónom a nábojom v kvantovej dvojbodke bolo doteraz veľmi náročné kvôli malému dipólovému momentu náboja,“ hovorí Marián Janík z Elektrotechnického ústavu SAV, v.v.i. „Tento problém sa však dá kompenzovať použitím vysokoimpedančných supravodivých rezonátorov, ktoré efektívne zväčšujú elektrické pole fotónu. Granulárny hliník nám umožňuje dosiahnuť extrémne vysoké impedancie, čím sa otvárajú významne možnosti zlepšenia v oblasti spin-fotónového spárovania.“
Vysokoimpedančné supravodivé rezonátory sa javia ako sľubné riešenie na zvýšenie sily spárovania medzi kvantovými bodkami a fotónom, vďaka čomu na seba za posledné desaťročie pritiahli výraznú pozornosť. Napriek tomu sa doteraz v kvantovo-elektrodynamickom obvode s kvantovými bodkami nepodarilo prekonať impedanciu zhruba 4 kΩ. Avšak použitie rezonátorov z granulárneho hliníka, ktorý sa skladá z náhodne usporiadaných 5 nm zŕn, prináša potenciál na výrazné zvýšenie tejto impedancie. Granulárny hliník poskytuje vysokú kinetickú indukčnosť, ktorá umožňuje zvýšiť impedanciu rezonátorov o viacero rád, čo vedie k silnejšiemu spárovaniu spinu a fotónu.
Hlavnou výzvou pri použití neusporiadaných supravodivých materiálov je reprodukovateľnosť ich výroby. „Na tento problém sme našli riešenie, vývojom nového bezdrôtového ohmmetra, ktorý umožňuje meranie odporu počas depozície tenkých vrstiev, a tým aj nepriamu kontrolu jej vlastností. Tento prístup nám umožňuje reprodukovateľne vyrábať supravodivé rezonátory s impedanciou až 22 kΩ, čo je takmer šesťnásobok doteraz dosiahnutej hodnoty. To otvára nové možnosti v oblasti kvantových technológií,“ vysvetľuje ďalej Janík.

„Integráciou 8 kΩ grAl rezonátora s kvantovou dvojbodkou na báze germánia sme dosiahli silné spárovanie medzi jedným elementárnym nábojom (tzv. dierou) a jedným fotónom, s najvyššou doteraz zaznamenanou rýchlosťou spárovania, 566 MHz. Tento výsledok predstavuje významný pokrok v kvantových technológiách, poskytujúc sľubný prístup na dosiahnutie qubitových operácií na veľké vzdialenosti, ktoré sú nevyhnutné pri realizácii kvantových počítačov.“

Demonštrované metódy, spolu s mimoriadnymi vlastnosťami granulárneho hliníka, otvárajú dvere novej ére kvantových obvodov, kde silné spárovanie spinu s fotónom môže byť využité pre ďalšiu generáciu kvantových technológií. „Silné spin-fotónové spárovanie je kľúčovým prvkom pre realizáciu rýchlych, vysoko presných qubitových operácií na veľké vzdialenosti,“ čo je základným predpokladom pre praktické využitie kvantových počítačov v reálnych aplikáciách.

a) Granulárny hliník a integrácia rezonátora s kvantovou dvojbodkou v germániovej heteroštruktúre.

b) Detail z Obr. a) zvýraznený modrým obdĺžnikom. c) Detail z Obr. b) zvýraznený červeným obdĺžnikom.

 

Viac info: Janík, M., Roux, K., Borja-Espinosa, C. et al. Strong charge-photon coupling in planar germanium enabled by granular aluminium superinductors. Nat Commun 16, 2103 (2025). https://www.nature.com/articles/s41467-025-57252-4