Towards scalable quantum technologies

Kvanteteknologi bruker kvantemekanikkens mest eksotiske egenskaper for å utvikle nye teknologiske løsninger, og kan revolusjonere kommunikasjon, kryptografi og sensorer. Mange av dagens kvanteplattformer er basert på materialer som krever ekstremt lave temperaturer for å fungere, og er vanskelige å skalere. Nå retter forskere blikket mot punktdefekter i halvledere, kalt kvantedefekter, som kan operere ved romtemperatur. Disse defektene kan fungere som en-fotonkilder, noe som er viktig for mange kvanteanvendelser, inkludert vårt prosjekt, der vi utforsker deres potensial for fremtidig teknologi. Vårt prosjekt, kalt "Towards Scalable Quantum Technologies" (TASQ), tar sikte på å utnytte det uvanlige potensialet som finnes i små defekter i halvledere for å fremme kvanteteknologiske fremskritt. Hva betyr dette egentlig? Vel, vi vet at naturlige feil eller ufullkommenheter i materialer ofte er noe man ønsker å unngå. Men innen kvanteteknologi kan disse feilene vise seg å være en fordel. Spesielt er vi interesserte i defekter som kan fungere som enfotonkilder - altså som sender ut ett og ett foton av gangen. Disse er essensielle for kvantekommunikasjon, og kan ha mange bruksområder som ekstremt sensitive kvantesensorer med minimal drift. I dette prosjektet fokuserer vi på sterke enfotonkilder som kan dannes i grensesnittet mellom silisiumkarbid (SiC) og silisiumdioksid (SiO2) ved kun å bruke varme. Denne prosessen er både energieffektiv og kompatibel med eksisterende industrielle teknikker. Vi ønsker å forstå hva disse defektene består av, hvordan de dannes, og hvordan de oppfører seg i sitt miljø. TASQ-prosjektet har som mål å bygge bro mellom dagens halvlederkunnskap og morgendagens kvanteapplikasjoner.

The field of quantum technology (QT) aims to exploit the most exotic consequences of quantum mechanics for real-world applications. However, it has proven challenging to strike the balance between control of the quantum state, robustness to noise and, importantly, scalable material and processing. Thus, there is an ongoing race to discover and characterize new quantum platforms that satisfy these fundamental criteria. One of the most promising platforms for QT is point defects in semiconductors; imperfections in the material that one otherwise strives to avoid. Point defect-based QT facilitates quantum bits, based on either electron spin or photon polarization, that are well suited for optical readout using the single-photon emitter (SPE) property. In TASQ, we target a unique and intriguing defect system: ultra-bright SPEs that can be fabricated solely by thermal means in an industrially friendly platform, namely defects at the interface between silicon carbide and silicon dioxide. The goal of TASQ is to functionalize ultra-bright quantum emitters towards future applications in quantum sensing and secure photonic communication. To realize such devices, we need to uncover fundamental knowledge on the role of interface properties and how these may be accurately controlled. The optimal model system for such an investigation is deemed to be SPEs at the SiO2-SiC interface. TASQ will be pursued by a team of talented scientists with competency in advanced defect characterization, material synthesis, and modeling techniques. Our ambition is to accelerate the use of semiconductor point defects as building blocks for quantum devices; we bridge the gap between today’s semiconductor expertise and quantum functionalities to enable future technologies. We aim to (i) identify the origin of single-photon emitting defects at the SiO2-SiC interface, and (ii) develop means to control, understand and utilize the unique interactions between interface emitters and their environment.