Квантовые процессоры используют микроволны, а информацию на дальние расстояния передают через оптоволокно. Физики из Городского колледжа Нью-Йорка предложили решение: слоистый магнитный полупроводник CrSBr, который преобразует микроволновые сигналы в оптические, сохраняя закодированную информацию.

Разные диапазоны частот давно препятствуют созданию квантового интернета. Преобразователь между вычислительным узлом и оптической линией должен работать без потерь информации, с высокой эффективностью и минимальным шумом — требования, которые критичны для квантовых систем.

В CrSBr роль переводчика выполняют магнитные колебания. Микроволновый сигнал заставляет магнитные моменты атомов двигаться скоординированно, создавая магноны — коллективные волны магнитной структуры. Магноны влияют на экситоны, связанные пары электрона и дырки, которые интенсивно взаимодействуют со светом. Отражённый лазерный луч получает когерентную модуляцию, повторяющую исходное микроволновое возбуждение.

Исследователи зафиксировали преобразование в полосе около 300 МГц и смогли менять рабочую частоту внешним магнитным полем. Эффект возник в объёмном кристалле без резонаторов, которые обычно требуются для усиления взаимодействия света с веществом.

Слоистая структура CrSBr открывает дополнительные возможности. Материал можно тонко наслаивать до нескольких атомных слоёв, сохраняя магнитные и оптические свойства. Авторы рассчитывают, что уменьшение объёма усилит взаимодействие между возбуждениями и позволит создать более компактные преобразователи для квантовых чипов.

До практического устройства ещё далеко. Эксперимент подтвердил механизм когерентного преобразования, но не передачу отдельного квантового состояния. Для реальной системы нужно резко повысить эффективность и подавить шум. Особенно жёсткие требования возникают для сверхпроводящих кубитов, где квантовая информация уже может переноситься микроволновыми фотонами.

Авторы предлагают уменьшать толщину магнитного слоя, добавлять микроволновые резонаторы и оптические полости высокого качества, а также использовать экситон-поляритоны для снижения оптических потерь. Результат показывает, что один материал способен связать магнетизм микроволнового диапазона с сильным взаимодействием света и вещества.

Другие лаборатории ищут решение с другой стороны. Молекулярные кубиты на эрбии работают с длинами волн, подходящими для существующих телекоммуникационных сетей, что позволяет приблизить квантовый узел к имеющейся оптической инфраструктуре.

Одновременно физики ищут материалы, проще встраиваемые в массовые чипы. Дефект кремния работает с телекоммуникационными волнами и может объединить квантовые элементы с кремниевой фотоникой. CrSBr предлагает иной подход, где преобразование между микроволнами и светом выполняет сверхтонкий магнитный слой.