論文の概要: Inverse-Designed Nanobeam Cavities for High-Cooperativity Spin-Photon Interfaces in Silicon

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.32205v1
• Date: Sat, 26 Sep 2026 04:03:49 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-10-07 18:57:54.663428
• Title: Inverse-Designed Nanobeam Cavities for High-Cooperativity Spin-Photon Interfaces in Silicon
• Title（参考訳）: シリコンにおける高協調性スピン光子界面のための逆設計ナノビームキャビティ
• Abstract要約: シリコンの通信バンドスピン欠陥は、統合量子ネットワークのための魅力的なプラットフォームを提供する。 両中心用シリコンナノビームキャビティを, 一体化アジョイント最適化フレームワークを用いて設計した。 このフレームワークは、シリコンテレコムスピンフォトンインタフェースのためのスケーラブルなキャビティ設計経路を確立する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Telecom-band spin defects in silicon offer a compelling platform for integrated quantum networks by combining scalable silicon photonics with spin-based quantum memories and multiqubit registers. The T center and recently demonstrated Al1 center are particularly promising, but their limited coherent zero-phonon emission requires strong cavity enhancement for efficient spin-photon interfaces. Here, we inverse-design silicon nanobeam cavities for both centers using a unified adjoint-optimization framework targeting Purcell enhancement, resonance alignment, and photon extraction. For each emitter, symmetric cavities maximize Purcell enhancement, while asymmetric cavities provide directional coupling to an integrated waveguide. Three-dimensional finite-difference time-domain simulations yield loaded quality factors up to 3.25 x 10^6, Purcell factors up to 1.43 x 10^5, and cooperativities of approximately 280-5000, corresponding to cavity-coupled emission fractions exceeding 99.6%. The asymmetric cavities direct approximately 90% of emitted power into a single on-chip waveguide while maintaining cooperativity above 280. Under nanometer-scale fabrication perturbations, all four designs remain within the high-cooperativity regime, and high cooperativity persists when the cavity quality factor is constrained to a realistic absorption-limited value of 10^5. This unified, fabrication-compatible framework establishes a scalable cavity-design route for silicon telecom spin-photon interfaces and, to our knowledge, the first cavity designs for the Al1 center.
• Abstract（参考訳）: シリコンのテレコムバンドスピン欠陥は、スケーラブルなシリコンフォトニクスとスピンベースの量子メモリとマルチキュービットレジスタを組み合わせることで、統合量子ネットワークのための魅力的なプラットフォームを提供する。 T中心と最近証明されたAl1中心は特に有望であるが、その有限コヒーレントゼロフォノン放出は、効率的なスピン光子界面のために強いキャビティ増強を必要とする。 そこで我々は,Purcellエンハンスメント,共振アライメント,光子抽出を目的とした共役最適化フレームワークを用いて,両中心のシリコンナノビームキャビティを逆設計した。 それぞれのエミッタに対して、対称キャビティはパーセルエンハンスメントを最大にし、一方非対称キャビティは統合導波路への指向性結合を提供する。 3次元有限差分時間領域シミュレーションでは、負荷された品質因子を3.25 x 10^6まで、パーセル因子を1.43 x 10^5まで、そして共役性は約280-5000となり、共役率は99.6%を超える。 非対称キャビティは出力の約90%をオンチップ導波管に向け、280以上の協調性を維持しながら誘導する。 ナノメートルスケールの加工摂動の下では、4つの設計はいずれも高い協調性状態に留まり、空洞品質係数が現実的な吸収制限値10^5に制限された場合に高い協調性は持続する。 この統一された製造互換のフレームワークは、シリコンテレコムのスピン光子インタフェースのための拡張性のあるキャビティ設計経路を確立し、我々の知る限り、Al1センターのための最初のキャビティ設計である。

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