Многие квантовые процессоры работают с микроволновыми сигналами, а на большие расстояния информацию удобнее передавать светом по оптоволокну. Физики из Городского колледжа Нью-Йорка нашли необычного «переводчика» между двумя мирами. Слоистый магнитный полупроводник CrSBr заставил микроволновое возбуждение управлять оптическим сигналом.
Несовместимость частот давно мешает созданию полноценного квантового интернета. Интерфейс между вычислительным узлом и линией связи должен преобразовать сигнал, сохранив содержащуюся в нём информацию, а для квантовых систем дополнительно нужны высокая эффективность и минимальный шум.
В CrSBr роль посредника играют магнитные колебания. Микроволновый сигнал заставляет магнитные моменты атомов двигаться согласованно и создаёт магноны, то есть коллективные волны в магнитной структуре. Магноны влияют на экситоны, связанные пары электрона и дырки, которые особенно сильно взаимодействуют со светом. В результате отражённый от кристалла лазер получает когерентную модуляцию, повторяющую исходное микроволновое возбуждение.
Команда зарегистрировала преобразование в полосе примерно 300 МГц и смогла менять рабочую частоту внешним магнитным полем. Причём эффект появился в объёмном кристалле без резонаторов, которые обычно усиливают взаимодействие света с веществом и усложняют конструкцию устройства.
Слоистая структура CrSBr даёт ещё одно преимущество. Материал можно уменьшить до нескольких атомных слоёв, сохранив ключевые магнитные и оптические свойства. Авторы рассчитывают, что уменьшение объёма усилит взаимодействие между возбуждениями и позволит создать значительно более компактные преобразователи для квантовых чипов.
До готового моста между квантовым компьютером и оптоволокном пока далеко. Эксперимент доказал сам механизм когерентного преобразования, но не передачу отдельного квантового состояния. Для практической системы придётся резко повысить эффективность и подавить дополнительный шум. Подобные требования особенно жёсткие для сверхпроводящих кубитов, где квантовая информация уже может переноситься микроволновыми фотонами.
Авторы предлагают уменьшать толщину магнитного материала, добавлять микроволновые резонаторы и высокодобротные оптические полости, а также использовать экситон-поляритоны для снижения оптических потерь. Работа показывает, что один материал способен связать магнетизм микроволнового диапазона с сильным взаимодействием вещества и света.
Другие лаборатории пытаются решить ту же проблему с противоположной стороны. Один из вариантов использует молекулярные кубиты на эрбии, которые работают с длинами волн, подходящими для существующих телекоммуникационных оптоволоконных сетей. Такой подход позволяет приблизить сам квантовый узел к привычной оптической инфраструктуре.
Параллельно физики ищут материалы, которые проще встроить в массовые чипы. Перспективный дефект кремния тоже рассчитан на телекоммуникационные длины волн и потенциально способен объединить квантовые элементы с кремниевой фотоникой. CrSBr предлагает другой путь, где перевод между микроволнами и светом берёт на себя сверхтонкий магнитный материал.