Many experiments in quantum information processing rely on our ability to transmit, manipulate, or detect photons. In these applications, the wavelength of photons being detected can range from the infrared and visible light used in optical communication systems, to the microwave photons that superconducting quantum devices respond to. While a wide range of detectors are available for optical photons, detecting microwave photons is significantly more challenging due to the much lower energies of individual photons compared to the level of noise, including background light, in the world around us.
The development of efficient microwave photon detectors will be useful for a wide variety of applications, including superconducting quantum devices, quantum computing, quantum sensing, and particle physics. Working toward the realization of these applications, researchers from the Institute for Quantum Computing (IQC) at the University of Waterloo are investigating a new technique for detecting single microwave photons using diamonds.
Abdolreza Pasharavesh with the experimental setup the group is now developing to test their theories.
Olivia Woodman and Abdolreza Pasharavesh, graduate students at IQC, together with Dr. Michal Bajcsy and Dr. Christopher Wilson, faculty members at IQC and Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering, have developed a promising model to detect these photons by making use of the light-sensitive properties of a point defect found in the lattice structure of diamond. In its perfect form, diamond consists of only carbon atoms, however a defect called a nitrogen-vacancy (NV) center can occur if a nitrogen atom takes the place of a carbon atom within the diamond crystal’s structure while the neighboring site is left empty. NV centers, which can make a diamond appear pink in colour, are known for their unique interactions with both microwave photons and optical photons, making them attractive for various applications in quantum technology such as communications, sensing, and fundamental research.
For their proposal, the researchers envision a device in which microwave photons interacting with the defects in diamond change the properties of an optical resonator (cavity). “First we need to confine the photons in electromagnetic cavities,” says Pasharavesh. “Because the level of light given off by a single photon is so low, we use the cavities as a mechanism to enhance the interaction between the photons and our quantum emitter.” The NV center is coupled to an optical cavity and a coplanar waveguide (CPW), a structure that consists of a conductive material, like a strip of metal, on a ground plane that acts as a barrier on the sides and underneath. CPWs efficiently guide and transmit microwave signals along a specific path without them spreading out and dissipating.
In the group’s detector designs, the diamond sits at the intersection of the CPW, which brings the microwave photons into the device, and the optical cavity which is probed by laser and monitored by an optical single photon detector. In their simulations, microwave photons hit the diamond’s NV centers, interact with it, and change its electronic spin. Changes to the NV center’s spin also change the optical cavity’s resonance frequency, which provides the researchers with a way to measure the presence of microwave photons on the CPW by using visible photons.
Based on their simulations using the master equations for the NV center and fields in the cavities, the group determined that their design could achieve a microwave photon detection efficiency of about 90 percent, and a fidelity, or percentage of correctly recorded detections, of over 90 percent. The dynamics of the system were investigated using Monte Carlo techniques, which averages many simulated trajectories of a complex system to predict its real-world behaviour.
The relative simplicity, practicality, and effectiveness of this new design is promising for the development of microwave photon detection technology. Additionally, proposing the use of a solid material like diamond could mean that these detector designs would be more easily integrated into solid-state electronic systems, which have a higher scalability compared to other quantum information platforms.
Illustration of the proposed device depicting the placement of a diamond NV center inside an optical cavity on a coplanar waveguide (CPW).
This research is part of an ongoing collaboration that aims to convert microwave photons into optical photons, and is supported by the Transformative Quantum Technologies program. “Inside a quantum computer, working with superconducting circuits and microwave photons is great, but when you want to send that information to a second computer, you need to convert it to optical photons because they have lower loss when transmitted in fiberoptic cables,” says Pasharavesh. “Moving forward, we will be concentrating on coherent interactions in order to convert microwave qubits into optical qubits.”
The group is now preparing for the next step of their research by turning their theoretical system into experimental reality to test their new theories. This research, Detecting Single Microwave Photons with NV Centers in Diamond, was published in the journal Materials on April 21st, 2023.
Des chercheurs proposent une technique pour détecter les photons micro-ondes à l’aide de défauts ponctuels dans le diamant
Beaucoup d’expériences en traitement de l’information quantique reposent sur notre capacité à transmettre, à manipuler ou à détecter les photons. Dans ces applications, la longueur d’onde des photons détectés peut aller de l’infrarouge et de la lumière visible utilisée dans les systèmes de communication optique aux photons micro-ondes que l’on trouve dans les dispositifs quantiques supraconducteurs. Bien qu’il existe un vaste éventail de détecteurs de photons optiques, la détection de photons micro-ondes est une autre paire de manches. C’est que le peu d’énergie des photons uniques par rapport au niveau de bruit dans le monde qui nous entoure, y compris dans la lumière d’arrière-plan, complique les choses.
Un détecteur de photons micro-ondes efficace aurait un grand champ d’application : dispositifs quantiques supraconducteurs, informatique quantique, détection quantique, physique des particules, etc. C’est avec cette idée en tête que des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo se sont penchés sur une nouvelle technique pour détecter les photons uniques micro-ondes à l’aide de diamants.
Abdolreza Pasharavesh avec le montage expérimental élaboré par le groupe pour tester ses théories.
En collaboration avec Michal Bajcsy, Ph. D. et Christopher Wilson, Ph. D., membres du corps professoral de l’IQC et du Département de génie électrique et informatique de l’Université de Waterloo, Olivia Woodman et Abdolreza Pasharavesh, étudiants aux cycles supérieurs à l’IQC, ont mis au point un modèle prometteur capable de détecter ces photons en exploitant la sensibilité à la lumière d’un défaut dans la structure cristalline du diamant. Un diamant parfait se compose uniquement d’atomes de carbone. Toutefois, certains diamants présentent un centre azote-lacune, soit un vide laissé par la substitution d’un atome de carbone par un atome d’azote. Ces défauts, qui peuvent donner au diamant une teinte rose, sont reconnus pour leurs interactions uniques avec les photons micro-ondes et les photons optiques, lesquelles en font un élément recherché pour diverses applications en technologie quantique, comme les communications, la détection et la recherche fondamentale.
Pour sa proposition, l’équipe de recherche a imaginé un dispositif où les interactions entre les photons micro-ondes et les défauts du diamant modifient les propriétés d’un résonateur optique (cavité). « La première étape consiste à confiner les photons dans des cavités électromagnétiques, explique Abdolreza Pasharavesh. Comme la lumière émise par un photon unique est très faible, nous utilisons les cavités comme mécanisme pour augmenter l’interaction entre les photons et notre émetteur quantique. » Le centre azote-lacune est rattaché à une cavité optique et à un guide d’ondes coplanaire, une structure constituée d’un matériau conducteur, comme une bande de métal, déposé sur une surface plane qui agit comme une barrière sur les parois et le dessous. Les guides d’ondes coplanaires dirigent et transmettent les signaux micro-ondes le long d’un chemin défini, en les empêchant de se disperser.
Dans le détecteur conçu par le groupe, le diamant se trouve à l’intersection du guide d’ondes coplanaires, ce qui permet d’attirer les photons micro-ondes dans le dispositif et dans la cavité optique, qui est sondée par laser et surveillée par un détecteur de photons uniques optiques. Dans les simulations du groupe, les photons micro-ondes frappent le centre azote-lacune du diamant, interagissent avec lui et modifient son spin électronique. Les modifications apportées au spin du centre azote-lacune ont un effet sur la fréquence de résonance de la cavité optique. Les chercheurs peuvent ainsi mesurer la présence de photons micro-ondes sur le guide d’ondes coplanaire en utilisant des photons visibles.
Par des simulations reposant sur des équations maîtresses faisant intervenir le centre azote-lacune et les champs dans les cavités, le groupe a déterminé que son détecteur pouvait atteindre une efficacité de détection d’environ 90 % et une fidélité (pourcentage de détections exactes) supérieure à 90 %. Les dynamiques du système ont été étudiées à l’aide de méthodes de Monte-Carlo, qui prédisent le comportement en contexte réel d’un système complexe selon la moyenne de nombreuses trajectoires simulées.
La relative simplicité, l’aspect pratique et l’efficacité de ce nouveau détecteur sont prometteurs pour le développement de technologies de détection des photons micro-ondes. De plus, l’utilisation proposée d’une matière solide comme le diamant pourrait faciliter l’intégration de ce type de détecteur dans des systèmes électroniques transistorisés, qui sont plus adaptables que d’autres plateformes d’information quantique.
Illustration du dispositif proposé; on y voit le centre azote-lacune d’un diamant à l’intérieur de la cavité optique d’un guide d’ondes coplanaire.
Ces travaux s’inscrivent dans une collaboration en cours visant à convertir les photons micro-ondes en photons optiques et sont soutenus par le programme Transformative Quantum Technologies. « À l’intérieur d’un ordinateur quantique, les circuits supraconducteurs et les photons micro-ondes fonctionnent bien, mais lorsque vient le temps de transmettre l’information à un autre ordinateur, il faut convertir ces photons en photons optiques pour limiter les pertes dans la transmission par câbles à fibre optique, précise Abdolreza Pasharavesh. Pour la suite, il faudra se concentrer sur les interactions cohérentes afin de convertir les qubits micro-ondes en qubits optiques. »
Le groupe se prépare maintenant à la prochaine étape de sa recherche, soit le passage de la théorie à la réalité expérimentale pour mettre en pratique ses nouvelles hypothèses. L’étude en question, « Detecting Single Microwave Photons with NV Centers in Diamond » a été publiée dans la revue Materials le 21 avril 2023.