QUantum emitters in semiconductors for future Technologies; Single-photon emitters in Aluminium Nitride

Kvanteteknologi (QT) kan få en enorm innvirkning på alt fra kommunikasjon og kryptografi til sensing og databehandling. Mens dagens kvantedatamaskiner ofte bruker superledende prosessorer som krever mK-driftstemperaturer, ekstrem stabilitet og er utfordrende å skalere, kombinerer punktdefekter potensialet for kvantebits (qubits) i romtemperatur med sensing og enfotonkilder (SPE) på nanoskala. Enfotonemisjon er sentralt i kvanteteknologi basert på punktdefekter, et felt som er i rask utvikling, og nye defekter og materialer blir kontinuerlig utforsket. Et materiale som nylig har fått oppmerksomhet i forbindelse med QT er aluminiumnitrid (AlN), et materiale som er industrivennlig og spennende også for beslektede teknologier som for eksempel bølgeledere. I denne utvidelsen av det NFR-finansierte FriPro-prosjektet, QUantum emitters in semiconductors for future Technologies (QuTe), vil vi utvikle og utforske nye SPE’er og kvantedefekter i AlN. Prosjektet er et samarbeid mellom Universitetet i Oslo og Forsvarets forskningsinstitutt og har som mål å bygge kompetanse innen QT, utforske kvantedefekter i et materiale av felles interesse, samt utvide og styrke det eksisterende QuTe-prosjektet.

Quantum technology (QT) promises a disruptive technology for communication, computing, simulation, and sensing, relying on already demonstrated long-distance separation of entangled photons and advantages of quantum algorithms. The project “QUantum emitters in semiconductors for future Technologies" (QuTe) is a cross-disciplinary research project with a team from the Dept. of Physics and the Centre for Materials Science and Nanotechnology (SMN) at the University of Oslo (UiO) in collaboration with the international partners. The vision of the existing QuTe project is to accelerate the process of utilizing point defects in semiconductors as building blocks for quantum technology, and bridge the gap between the existing state-of-the-art semiconductor expertise and quantum functionalities required in future technologies. A specific task in QuTe was to identify potential qubit candidates and host materials, where aluminum nitride (AlN) was as a highly interesting candidate, strengthened by theoretical calculations using data mining and machine learning [Hebnes et al, npj Computational Materials, 8, 207, 2022] and initial experimental investigations. Building on these findings, we propose in QuTe2.0 to explore further AlN as a platform for quantum technology, with a particular emphasis on single-photon emitters (SPEs) for quantum communication. In the Supplementary project, we would also like to include the Norwegian Defense Research Establishment (FFI). In QuTe2.0 we aim to tackle the overarching research questions: (1) How can SPEs in AlN be formed selectively, in a controlled fashion and with high quality? (2) What is the origin of the SPE and spin signals observed in AlN? (3) How can SPE selection be performed to optimize key properties, e.g., energy, brightness, purity and indistinguishability? (4) What is the impact of waveguide integration on quality of SPEs in AlN?