Wetenschappers hebben een innovatieve techniek ontwikkeld om zichtbaar licht op gigahertz-frequenties nauwkeurig te manipuleren binnen een platform dat compatibel is met CMOS-productieprocessen. Deze vooruitgang, gepresenteerd in een rapport op 22 september 2026, biedt nieuwe mogelijkheden voor het opschalen van quantumcontrole voor systemen die gebruikmaken van ionen, atomen en emitters in vaste toestand.
De kern van de nieuwe methode is het gebruik van resonant multi-harmonische acousto-optica, geïmplementeerd in siliciumnitride. Hoewel siliciumnitride-fotonica bekend staat om zijn vermogen om hoge vermogens te verwerken en geschikt is voor massaproductie in CMOS-foundries, ontbreekt het materiaal van nature aan een mechanisme voor snelle modulatie. Eerdere pogingen om dit op te lossen via piëzo-elektrische integratie waren beperkt tot systemen met een enkele resonantie, waardoor de modulatiegolfvorm beperkt bleef tot één toon.
Volgens de publicatie op arxiv.org zorgde deze beperking ervoor dat de efficiëntie van de frequentieverschuiving niet hoger kon uitkomen dan 33,9%, een waarde die wordt bepaald door de amplitudes van de Bessel-functie. Het team rond Jacob M. Freedman heeft deze barrière doorbroken door een microstructuur te ontwerpen die meerdere resonanties ondersteunt die harmonisch gespatieerd zijn.
In de praktijk hebben de onderzoekers een structuur gerealiseerd met resonanties op 1,14 GHz en 2,28 GHz. Deze zijn sterk optomechanisch gekoppeld aan een optische modus van 730 nm. Door de relatieve fase en de amplitudes van deze mechanische componenten piëzo-elektrisch aan te sturen, is het mogelijk om niet-sinusoïdale modulatiegolfvormen te synthetiseren. De resultaten zijn opmerkelijk: er is een conversie van 50% naar één zijband bereikt, wat 1,5 keer hoger ligt dan het theoretische maximum voor een enkele toon. Daarnaast demonstreerde het team een vlakke 'comb' van zeven lijnen en een frequentieverschuiving met een beeldonderdrukking van 53 dB en een drageronderdrukking van 60 dB.
In het rapport op wordt gesteld dat dit naar hun weten de hoogste waarden zijn die tot nu toe zijn gerapporteerd voor een geïntegreerde modulator. De praktische haalbaarheid van de technologie is groot, aangezien de apparaten zijn vervaardigd in een 200 mm CMOS-foundry. Bij de analyse van 36 apparaten over drie wafers werd een yield van 91,7% vastgesteld, waarbij geen tuning na de fabricage noodzakelijk was.
De auteurs wijzen erop dat deze techniek eenvoudig kan worden uitgebreid naar drie of meer harmonieken, wat het conflict tussen spectrale programmeerbaarheid en resonantieverbetering oplost. Dit heeft direct positieve gevolgen voor de efficiëntie van single-qubit gates voor hyperfine qubits, zoals verder uitgelicht in de details op .
Deze ontwikkeling past in een breder academisch kader van fotonische geïntegreerde circuits (PIC's). Binnen dit vakgebied richten experts zich op het ontwerp en de karakterisering van dergelijke apparaten. Zo houdt professor Dries Van Thourhout van de Universiteit Gent zich bezig met de integratie van nieuwe materialen op golfgeleiders en silicium-nanofotonica om de functionaliteit van systemen voor sensing, datacom en telecom te vergroten, zoals vermeld in de ugent.be.
De combinatie van geavanceerde acousto-optische controle en CMOS-compatibiliteit vormt een cruciale stap richting hardware voor quantumtechnologie die op grote schaal geproduceerd kan worden.