Kwantumwetenschap & -technologie
De huidige ontwikkelingen op het gebied van kwantumdetectie, -communicatie en -berekening zullen naar verwachting grote sociale gevolgen hebben en zouden in de nabije toekomst bijvoorbeeld kunnen leiden tot een verbetering van de betrouwbaarheid van navigatiesystemen, een toename van de rekenkracht of een verbetering van de communicatieveiligheid. De onderzoeksthema's van de imo-imomec/imec quantum Science and Technology (QST) divisie strekken zich uit over verschillende domeinen van de quantumtechnologie, met een bijzondere focus op vastestof spin qubits in diamant en andere materialen met brede bandkloof.
Bekijk de inhoud van deze pagina
Activiteiten
De afgelopen jaren hebben kwantumtechnologieën een snelle ontwikkeling doorgemaakt, van natuurkundige basisconcepten tot praktische toepassingen. De huidige ontwikkelingen op het gebied van kwantumdetectie, -communicatie en -berekening zullen naar verwachting grote sociale gevolgen hebben en zouden in de nabije toekomst bijvoorbeeld kunnen leiden tot een verbetering van de betrouwbaarheid van navigatiesystemen, een toename van de rekenkracht of een verbetering van de veiligheid van de communicatie. Vaste qubits, bestaande uit defecten met bijbehorende elektron- of kernspin in vaste stoffen, maken de realisatie van langlevende kwantumgeheugens, de manipulatie en uitlezing van kwantumtoestanden en hun optische transmissie mogelijk. Vergeleken met andere fysische systemen (zoals supergeleidende circuits of opgesloten ionen), maken defecten in vaste stoffen het mogelijk om schaalbare en elektronische arrays te maken, met behulp van goed ontwikkelde technieken voor apparaat-engineering in vaste stoffen. Ze behoren dus tot de meest veelbelovende kandidaten voor de realisatie van kwantumtechnologieën.
De onderzoeksonderwerpen van de afdeling Quantum Science and Technology (QST) van imo-imomec/imec strekken zich uit over verschillende domeinen van de kwantumtechnologie. Ons werk is gericht op het snijvlak tussen kwantumoptica en vaste-stoffysica op nanoschaal, en in het bijzonder op vaste-stof qubits die integreerbaar zijn met klassieke elektronica in materialen met een brede bandkloof. Deze qubits hebben het voordeel dat ze bij kamertemperatuur werken, wat industriële toepassingen, integratie en schaalvergroting vergemakkelijkt. Ons onderzoek is speciaal gericht op qubits met spindefecten in diamant, waarin de langste elektron-spin coherentietijden zijn aangetoond (~ 2 ms voor stikstof-vacantie - NV - centra elektron-spin bij kamertemperatuur). Onze activiteiten variëren van de fabricage van quantumdiamant, de engineering van spindefecten in diamant en de geavanceerde karakterisering van de optische, foto-elektrische en spineigenschappen van deze defecten tot de ontwikkeling van op diamant gebaseerde apparaten voor quantumdetectie, quantumcommunicatie en quantuminformatieverwerking. We bestuderen ook nieuwe puntdefecten in materialen met een grote bandkloof zoals diamant, die kunnen worden gebruikt als bronnen van enkele fotonen of niet-klassieke, verstrengelde fotonbronnen. Een belangrijk deel van ons onderzoek is gewijd aan de implementatie van foto-elektrisch uitleesbare qubits in diamant, een onderzoeksgebied dat in onze groep is gestart.
De groepen Q-Lab, Quantum Hardware, Quantum Communication en Quantum Realization nemen deel aan verschillende prioritaire EU-oproepen op het gebied van kwantumtechnologieën, waaronder de Framework Partnership Programmes (FPA) met industrieën. Daarnaast nemen we deel aan Quantum Communication-oproepen binnen het EURO-QCI-project, waarbij we samenwerken met andere Belgische en internationale partners om veilige quantumcommunicatienetwerken te bouwen in België en Europa, en aan nationale quantumcommunicatieprojecten. Tot slot zijn we sterk betrokken bij EU-oproepen voor kwantumcomputers, zoals de European High-Performance Computing (HPHC) Joint Undertaking, waarbinnen we deelnemen aan het bouwen van een kwantumcomputernetwerk in de EU. In dit kader zullen zes kwantumcomputers worden gebouwd in EU-landen, verbonden met klassieke supercomputerinfrastructuur. Tegelijkertijd vertegenwoordigt de QST-groep België in de Quantum Flagship-activiteiten en maakt ze deel uit van de QCN 27 EU-landen directory board.
Synthese en karakterisering van quantumdiamant
Het gebruik van spindefecten in vaste toestand als qubits voor quantumtoepassingen vereist lange spin coherentietijden (gedefinieerd als de maximale duur dat een systeem in een geprepareerde quantumtoestand kan blijven). Deze coherentietijd wordt beperkt door de interactie van spin-qubits met de magnetische ruis die ontstaat uit het omringende elektronen- en kernspinbad. De kwaliteit van het gastmateriaal is dus een essentiële factor voor de ontwikkeling van hoogperformante vaste-stof qubits.
Gebaseerd op onze erkende expertise op het gebied van diamantsynthese door middel van plasma versterkte chemische dampdepositie (PECVD), werken we aan de ontwikkeling van kwantumzuiver diamant met een ultrahoge isotopische en structurele zuiverheid in vergelijking met commercieel beschikbare materialen. Dit werk omvat de optimalisatie van PECVD-reactoren en epitaxiale groeiparameters voor de bereiding van diamantlagen met één kristal van hoge kwaliteit.
Een ander doel is de vorming van spindefecten met gecontroleerde dichtheid, diepte, ladingstoestand en coherentietijd door in-situ dotering tijdens PECVD. De eigenschappen en locatie van kleurcentra in het diamantkristal kunnen worden aangepast, bijvoorbeeld door co-doping met verschillende atomen of door etsen en selectieve CVD-overgroei van diamant. Ons onderzoek is vooral gericht op de fabricage van gedopeerde enkel-kristalmaterialen met optimale eigenschappen voor de foto-elektrische uitlezing van spintoestanden. Parallel daaraan onderzoeken we ook de zaadloze PECVD-groei van gedoteerde nanodiamanten met een hoge kristalkwaliteit, gecontroleerde grootte en lange T1 spincoherentietijden, die nodig zijn voor quantum sensing op nanoschaal, vooral in biologische omgevingen.
De optimalisatie van de kwaliteit van het gastmateriaal, evenals de studie van het mechanisme voor de vorming van spindefecten en de beoordeling van hun kwantumeigenschappen, is gebaseerd op de terugkoppeling van eigen karakterisering van structurele, optische, foto-elektrische en spineigenschappen door middel van verschillende geavanceerde technieken, waaronder SEM, AFM, confocale microscopie, fotoluminescentie- en fotostroomspectroscopie, vluchttijd- en spincoherentiemetingen.
Studie van foto-elektrische eigenschappen van materialen en ontwikkeling van foto-elektrisch uitleesbare qubits
De ontwikkeling van foto-elektrisch uitleesbare solid-state qubits is een van de hoofdactiviteiten van de QST-divisie van Imo-imomec. Op basis van de expertise van de groep op het gebied van de fotofysica van defecten werd bij Imo-imomec in 2015 voor het eerst een methode gedemonstreerd voor de foto-elektrische detectie van NV-centra magnetische resonanties (PDMR). Sindsdien werd deze methode verder ontwikkeld en geoptimaliseerd, waardoor het mogelijk werd om coherent gedreven enkelvoudige elektronen en enkelvoudige kernspins uit te lezen. Deze methode, die gebaseerd is op de directe detectie van vrije ladingsdragers die het resultaat zijn van fotoionisatie van kleurcentra, vereist geen complexe collectieoptiek en maakt de integratie van de meetcircuits direct op de diamant mogelijk, waardoor het kwantumplatform op een elektronische chip wordt geplaatst. Het maakt ook de ruimtelijk-opgeloste detectie van enkele spins mogelijk, met een verbeterde ruimtelijke resolutie vergeleken met optische detectie.
Vanuit een fundamenteel oogpunt is het onderzoek dat momenteel wordt uitgevoerd op PDMR gericht op een beter begrip van de fysische processen die betrokken zijn bij de foto-elektrische uitlezing van spins. Dit werk omvat de experimentele studie van de fotofysica van kleurcentra en ionisatiemechanismen met behulp van verschillende gevoelige spectroscopietechnieken, de karakterisering van de elektronische eigenschappen van het diamantmateriaal en de wiskundige modellering van PDMR. Het doel is enerzijds om de foto-elektrische uitlezing van NV-centra-spins in diamant verder te verbeteren en anderzijds om de PDMR-methode uit te breiden naar verschillende spindefecten in diamant (bijv. groep IV-spacantdefecten of Ni-geassocieerde defecten) en naar kleurcentra in andere materialen met groot-bandkloof, met name siliciumcarbide.
Vanuit technisch oogpunt zijn de huidige uitdagingen onder andere de snelle detectie van ultralage fotostromen (om de foto-elektrische uitlezing compatibel te maken met gepulseerde protocollen die gebruikt worden voor spinmanipulaties), de onafhankelijke uitlezing van aangrenzende micrometrische sets elektroden en het minimaliseren van de technische ruis (met name door overspraak tussen het microgolfveld dat gebruikt wordt voor spinmanipulaties en het fotostroomdetectiepad). Ons werk is dus gericht op het verbeteren van alle componenten van de diamantchip, inclusief elektrodes, interconnectiviteit van de draadcircuits op de diamantchip met de externe regel- en uitleeselektronica en stroomversterkers en detectoren.
Kwantumdetectie
Kwantumsensoren, waarbij de invloed van externe parameters op kwantumsuperposities wordt gedetecteerd, hebben het potentieel om ultralage gevoeligheden te bereiken. Magnetometers in vaste toestand gebaseerd op ensembles van NV-centerspins in diamant behoren tot de meest ontwikkelde kwantumsensoren, waarvan de eerste geïntegreerde apparaten naar verwachting binnen de komende tien jaar commercieel beschikbaar zullen worden. Ze maken de detectie mogelijk van magnetische velden sub-picoTesla met een hoog dynamisch bereik en bandbreedte en zouden toepassingen kunnen vinden in de auto-industrie, de ruimtevaart, storingsanalyse of detectie van magnetische velden in biologische omgevingen.
De QST-divisie bij Imo-Imomec werkt aan de ontwikkeling van foto-elektrisch uitleesbare NV-diamantsensoren voor detectie van magnetische velden en microgolven. Vergeleken met optisch uitleesbare systemen zouden deze sensoren een hogere gevoeligheid en compactheid kunnen bieden, evenals een eenvoudigere integratie met elektronica. Een van onze doelstellingen is de ontwikkeling van architecturen en protocollen die de parallelle adressering van aangrenzende micrometrische pixels mogelijk maken, om zo ruimtelijk verschoven foto-elektrische kwantumsensoren te vormen. Parallel hieraan ontwikkelen we volledig geïntegreerde compacte magnetometers, die alle benodigde componenten bevatten, van het controle- en uitleessysteem tot magnetische, microgolf-, radiofrequentie- en optische manipulatie-instrumenten. Dit type geminiaturiseerde apparaten is van groot belang voor wetenschappelijke ruimtemissies, metingen van het aardmagnetisch veld voor geologisch onderzoek, satellietnavigatie of het monitoren van ruimteweer.
Ons onderzoek richt zich in het bijzonder op het verbeteren van de gevoeligheid van foto-elektrisch uitleesbare diamanten kwantum sensoren, door het maximaliseren van de NV centra ladingstoestand zuiverheid en de spin initialisatie trouw, het minimaliseren van de achtergrond fotostroom en het verbeteren van de lading dragers collectie efficiëntie. Om deze doelen te bereiken moet de omgeving van de NV-centra beter gecontroleerd worden, moet de diamant-elektrode-interface verbeterd worden en moeten de experimentele parameters geoptimaliseerd worden. Er worden ook protocollen ontwikkeld om de foto-elektrische uitlezing compatibel te maken met hoogfrequente AC quantum sensing.
Tegelijkertijd onderzoeken we het gebruik van nanodiamanten met kleurcentra voor temperatuurdetectie op nanoschaal in een biologische omgeving.
Een voorbeeld van kwantumsensortoepassingen is project OSCAR-QUBE, een demonstratie van een op NV gebaseerde kwantummagnetometersensor die aan boord van het internationale ruimtestation werd getest.
Kwantum NMR
Recente vooruitgang op het gebied van quantum sensing heeft de mogelijkheid aangetoond om NV-centra diamant spin qubits te gebruiken om externe kernspins in de nabijheid te detecteren, waardoor nanoschaal NMR bij kamertemperatuur mogelijk wordt. Vergeleken met klassieke NMR-apparaten kunnen deze diamanten kwantum sensoren spectraal selectieve detectie uitvoeren op kleine volumes (~ 1 pL) en vereisen ze geen toepassing van sterke, homogene magnetische velden en dus het gebruik van omvangrijke magneten. Geminiaturiseerde kwantum-NMR-apparaten kunnen met name worden gebruikt in de farmaceutische industrie, voor het ontdekken en ontwikkelen van geneesmiddelen.
De QST divisie bij imo-imomec werkt aan het demonstreren van de praktische toepasbaarheid van nanoschaal kwantum NMR detectie, door het van de labtafel naar echte toepassingen te brengen op het gebied van farmaceutische analyse. Ons doel is de ontwikkeling van nieuwe soorten kwantum-NMR-apparaten op basis van 2D arrays van ondiepe NV-centra in diamant. Terwijl de huidige methoden gebaseerd zijn op de optische uitlezing van NV-spins, richten wij ons op de ontwikkeling van foto-elektrisch uitleesbare kwantum-NMR-apparaten. Het gebruik van deze methode zal naar verwachting de detectiegevoeligheid verbeteren en dus leiden tot snellere metingen, waardoor dynamische detectie in biologische of chemische omgevingen mogelijk wordt met een hoge signaal-ruisverhouding.
Kwantum communicatie
Het huidige onderzoek naar kwantumcommunicatie wordt gemotiveerd door de behoefte aan encryptiemethoden die, in tegenstelling tot klassieke encryptie, niet kunnen worden gebroken door kwantumcomputers. De ontwikkeling van kwantumenetwerken zou kunnen leiden tot toepassingen zoals verbeterde sensornetwerken of gedistribueerde kwantumcomputing. Om communicatie over grote afstanden mogelijk te maken, vereisen kwantumnetwerken de aanwezigheid van kwantumrepeaters, die de distributie van kwantumtoestanden en informatie tussen entiteiten zonder directe punt-tot-puntverbindingen mogelijk maken.
De QST-divisie bij imo-imomec bestudeert de ontwikkeling van kwantumgeheugens die kunnen worden gebruikt als buitenste knooppunten voor kwantumcommunicatienetwerken. We onderzoeken in het bijzonder geheugens gebaseerd op NV-centra in diamant, die de langste geheugencoherentie-eigenschappen hebben bij kamertemperatuur en waarvoor we al de foto-elektrische uitlezing van een enkele kernspin gekoppeld aan een NV elektronspin hebben vastgesteld. Andere puntdefecten in diamant - in het bijzonder groep IV-vacantiefouten, die betere optische eigenschappen hebben - worden echter ook overwogen voor deze toepassing.
Een ander zwaartepunt van ons werk is lichtdetectie met ultralage ruis, voor toepassing op het gebied van detectie van zwaartekrachtgolven. Theoretische studies gericht op de wiskundige beschrijving van lichtkwantumdetectie (in het bijzonder knijp- en verstrengelingsgebaseerde methoden) worden uitgevoerd en er wordt een experimentele opstelling ontwikkeld voor de productie van geknepen licht en de heterodyne detectie van licht. We onderzoeken in het bijzonder de onderdrukking van quantumruis door gebruik te maken van spin-optomechanische hybride systemen gebaseerd op ensembles van kernspins in diamant.
Kwantumcomputing
Kwantumcomputers, gebaseerd op de codering van informatie op de superpositie van qubits, gedragen zich als massieve parallelle apparaten. Deze specificiteit leidt tot een enorm verbeterde rekenkracht in vergelijking met klassieke computers, waardoor problemen kunnen worden aangepakt die met de huidige technologieën niet kunnen worden opgelost.
De grootste uitdaging bij het bouwen van een quantumcomputer is de schaalvergroting van de technologie, om computers met duizenden qubits te bereiken. De momenteel gebruikte supergeleidende qubits werken bij cryogene temperatuur, waardoor opschaling complex en duur is in termen van energie, ruimte en koelvermogen. De foto-elektrisch uitleesbare diamanten qubits die bij Imo-Imomec zijn ontwikkeld, zouden deze opschaling kunnen vergemakkelijken door de fabricage van qubit-arrays mogelijk te maken in de vorm van nano-elektronische chips die werken bij omgevingstemperatuur en gemakkelijk geïntegreerd kunnen worden met klassieke elektronica.
We hebben al aangetoond dat het mogelijk is om foto-elektrisch een enkele kwantumpoort uit te lezen die bestaat uit een individuele kernspin gekoppeld aan een NV-centrum elektronspin. Gebaseerd op deze prestatie werken we momenteel aan het optimaliseren van de getrouwheid van foto-elektrisch uitgelezen poorten en aan de toepassing van de foto-elektrische uitleesmethode op complexere poortsequenties, wat de mogelijkheid opent voor de realisatie van kleine solid-state kwantumprocessoren. Door de grootte van de elektroden op het diamantkristal te verkleinen, konden we ook de locatiegeresolveerde uitlezing van dipool-dipool verstrengelde NV-qubits bereiken en zo gekoppelde registers op nanoschaal realiseren.
Belangrijke publicaties
Projects
Labs
De expertise van het fotonica- en kwantumlaboratorium strekt zich uit van de karakterisering van materialen met groot-bandkloof en de fundamentele studie van excitatie- en ionisatiemechanismen van kleurencentra tot de ontwikkeling van foto-elektrische spin-uitleesmethoden, de studie van qubits in vaste toestand op basis van elektronen- en kernspins en de ontwikkeling van kwantumsensoren en kwantumgeheugens. In samenwerking met de groep voor materialen met groot bereik van imo-imomec werken we met verschillende PECVD diamantgroeireactoren voor de synthese van ultrazuivere en gedoteerde diamant. Het fotonica- en kwantumlab huisvest verschillende zelfgebouwde gevoelige opstellingen die gebruikt worden voor de karakterisering van optische en foto-elektrische eigenschappen van materialen. Het bevat in het bijzonder vijf confocale fotoluminescentie-opstellingen, ontworpen voor de diepgaande karakterisering van kleurcentra in materialen met een brede bandkloof. Alle confocale opstellingen zijn uitgerust voor de karakterisering van spin-qubits en maken de parallelle detectie van optische en foto-elektrische signalen mogelijk, waardoor de ontwikkeling van optisch en foto-elektrisch uitleesbare kwantumapparaten mogelijk wordt.
Voordelen
Verschillende gevoelige zelfgebouwde opstellingen worden gebruikt voor de diepgaande karakterisering van optische (fotothermische afbuigingsspectroscopie, fotoluminescentiespectroscopie, fotoluminescentie-excitatiespectroscopie), foto-elektrische (fotostroom-spectroscopie) en elektronische (vluchttijd) eigenschappen van breedbandige materialen.
Confocale fotoluminescentiemicroscopen zijn gebouwd op luchtgestabiliseerde optische tafels en uitgerust met detectoren voor enkele fotonen, piëzo-elektrische sledes met hoge resolutie en microscoopobjectieven met hoge numerieke apertuur, waardoor enkele kleurcentra in isolerende materialen bestudeerd kunnen worden. Lasers met verschillende golflengtes, van blauw tot nabij-infrarood, zijn beschikbaar voor fotoexcitatie, waardoor een breed scala aan kleurcentra in verschillende materialen met een brede bandkloof bestudeerd kan worden. Het laboratorium is in het bijzonder uitgerust met een state-of-the-art afstembare laser, die van groen tot nabij-infrarood straalt en waarmee de excitatie- en ionisatiedynamica van defecten kan worden bestudeerd, bijvoorbeeld door gelijktijdige registratie van fotostroom- en fotoluminescentie-excitatiespectra. Er wordt gewerkt aan een opstelling waarmee monsters bij vloeibare heliumtemperatuur kunnen worden gekarakteriseerd.
De verschillende confocale opstellingen zijn uitgerust met akoestisch-optische modulatoren (AOM) voor lichtpulsatie, met arbitraire golfvormgeneratoren (AWG) en met snelle elektronische kaarten, waardoor geavanceerde pulssequenties kunnen worden toegepast die worden gebruikt voor de karakterisering van spin coherentietijden (T1, T2, T2*), voor de manipulatie van kwantumpoorten en voor kwantumdetectietoepassingen. Alle confocale opstellingen maken de optische (detectoren voor enkele fotonen) en foto-elektrische (stabiele spanningsbronnen, gevoelige stroomvoorversterkers, lock-in versterkers) uitlezing van spin qubits mogelijk. Een gekalibreerde opstelling is speciaal ontworpen voor quantummagnetometrietoepassingen.
Onze op maat gemaakte karakterisatieopstellingen kunnen eenvoudig worden aangepast voor verschillende experimenten en toepassingen.
Toepassingen
- Karakterisering van optische en foto-elektrische eigenschappen van materialen.
- Karakterisering van kleurcentra in breedbandige materialen, vooral diamant.
- Studie van vaste-stof spin qubits.
- Ontwikkeling van foto-elektrisch uitleesbare spin qubits.
- Ontwikkeling van vaste-stof kwantum sensoren en kwantum poorten.
Klanten
We werken samen met onderzoeksgroepen en industriële partners die gespecialiseerd zijn in de synthese van breedbandkloofmaterialen (in het bijzonder diamant) of in de implantatie van kleurcentra in deze materialen, en die bereid zijn om de materiaalkwaliteit en de optische en spineigenschappen van de defecten te evalueren. We hebben ook meerdere samenwerkingsverbanden met andere theoretische en experimentele onderzoeksgroepen die werken op het gebied van de ontwikkeling van vaste-stof qubits en kwantumtoepassingen.
Contact
prof. dr. Milos Nesladek
Wetenschapspark 1, 3590 Diepenbeek, Belgium
Professor
Dr. Steven Van Hoof
Wetenschapspark 1, 3590 Diepenbeek, Belgium
Innovation Manager
Dr. Lieve De Doncker
Wetenschapspark 1, 3590 Diepenbeek, Belgium
Innovation Manager