Optical Entanglement of Nuclear Spins in Silicon

Projektbeschreibung

Skalierung der Quanteninformationsverarbeitung mit Silizium-Spins

Die Quanteninformationsverarbeitung ist der Schlüssel zur Revolutionierung der Technologie. Eine große Herausforderung bleibt jedoch bestehen: die zuverlässige Integration und Steuerung von Qubits in Silizium, der Säule der modernen Informationstechnologie. Bisher gab es nur begrenzte Versuche, den elektronischen Spin von Quantenpunkten oder Dotierstoffen zu nutzen, da sie Qubits nur in unmittelbarer Nähe verschränken können, was die Skalierbarkeit einschränkt. Dadurch wurde die Entwicklung von Quantensystemen auf Siliziumbasis bisher behindert. Das ERC-finanzierte Projekt OpENSpinS möchte diese Hindernisse überwinden, indem Kernspins von Erbium-Dotierstoffen als Qubits verwendet werden, wobei sie mit Photonen gesteuert und verschränkt werden. Durch innovative nanophotonische Resonatoren und optische Adressierung wird OpENSpinS den Weg für skalierbare, weitreichende Quantennetzwerke ebnen, indem es die Stärken von Photonen und Kernspins kombiniert.

Ziel

A major breakthrough in quantum information processing is expected once “qubits”, carriers of quantum information, can be reliably integrated and controlled in silicon – the basis of today’s advanced classical information technology. Previous qubit realizations used the electronic spin of quantum dots or dopants, i.e. atoms of a different species replacing silicon in the lattice. However, this approach has only allowed for the entanglement of qubits in immediate proximity, which has hindered increasing the size of silicon-based quantum information processing systems. In OpENSpinS, these limitations will be overcome by using the nuclear spins of erbium dopants as qubits. These are initialized, read-out and controllably entangled using photons in the minimal-loss band of existing fiber-optical infrastructure. To demonstrate the unique potential of this approach, the specific objectives of the proposal are: I) The fabrication of nanophotonic resonators with unprecedented Purcell enhancement to enable coherent spin-photon coupling, II) the direct optical addressing and control of nuclear spin qubits with long coherence, and III) the implementation of optically-controlled two-qubit quantum gates and entanglement, both within a node and over distance. The proposed system combines the advantages of two leading platforms for quantum information processing: the bandwidth and long-distance connectivity of photons at telecommunications wavelength with the robust control and hour-long qubit storage achievable with nuclear spins in silicon. As the proposed chip-integrated resonators can be manufactured using established processes of the semiconductor industry, the novel hardware platform implemented in OpENSpinS offers unique prospects for future up-scaling of quantum information processing systems and quantum networks.