Het Leuvense onderzoekscentrum imec ontwikkelde een dunne film die elektro-optische materialen doet werken bij extreme koude. De doorbraak effent het pad naar snellere kwantumcomputers en -netwerken doordat deze opereren in deze omstandigheden.
Kwantumcomputers draaien bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Dat is de laagst mogelijke theoretische temperatuur en staat gelijk aan -273 graden Celsius, ofwel 4 Kelvin. Bij die extreme koude laten de meeste elektro-optische materialen het afweten. Ze kunnen licht niet meer efficiënt sturen, wat chips met deze componenten waardeloos maakt. Licht is namelijk cruciaal om informatie te coderen en door te geven in elektro-optische circuits.
Optimale werking in koude
imec kon in samenwerking met de universiteiten van Leuven en Gent een dunne strontiumtitanaat-film licht efficiënt licht moduleren (zie foto). imec geeft aan dat een effectieve Pockels-coëfficiënt van 345 picometer per volt werd behaald. De Pockels-coëfficiënt geeft aan hoeveel de brekingsindex verandert wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Hoe groter de coëfficiënt, hoe efficiënter licht per volt gemoduleerd kan worden.
Het gebruikte materiaal blijkt zelfs een voorliefde te hebben voor deze extreme temperaturen. De werking van het strontiumtitanaat verslechterd namelijk op kamertemperatuur. Bij het absolute nulpunt vertoont het bovendien slechts beperkte optische verliezen.
Deze demonstratie wordt gelijktijdig aangevuld met informatie uit een tweede studie, onder leiding van een team aan Stanford. Daaruit blijkt dat de elektro-optische respons van strontiumtitanaat bij 4 à 5 Kelvin specifiek kan worden bijgestuurd en uitgebreid. Bij kwantumfotonica kan deze eigenschap gebruikt worden om lichtdeeltjes (fotonen) precies te manipuleren met elektrische signalen.
Toepassingen
De doorbraak opent de deur naar tal van nieuwe toepassingen en imec ziet veel mogelijkheden binnen kwantumtoepassingen. Het onderzoekscenter heeft een nieuwe generatie van kwantum-interconnects, modulatoren en transducers in gedachten. Die kunnen op termijn supergeleidende processors met optische netwerken verbinden.
Het materiaal kan worden verwerkt op industriële wafers. Dat maakt massaproductie mogelijk. Voor toekomstige kwantumtoepassingen is dat belangrijk. De technologie moet immers schaalbaar zijn om relevant te blijven.
Lees ook: Imec verzamelt 2,5 miljard euro voor testlijn voor geavanceerde chips