Основой любого квантового компьютера является кубит. Он представляет собой квантовый объект с набором уровней — как ноты на линиях нотного стана. Переход электронов между этими «строками» сопровождается излучением частицы света фотона, что позволяет использовать его для передачи квантовой информации. Над поиском идеальной «основы» для кубита сегодня ломают головы все ученые мира. А их работа напоминает выбор лучшего инструмента для оркестра: нужно, чтобы его можно было легко изготовить на существующем производстве, он должен стабильно «играть» и «слышать» другие инструменты.
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Криса Ван де Валле на днях представила еще одного кандидата на роль кубита, который однажды может изменить партитуру всей квантовой симфонии. В журнале Physical Review B ученые описали дефект в кремнии, который назвали CN-центром. В его основе — пара из атома углерода и атома азота, встроенная в кристаллическую решетку кремния.
Самый известный пример такого дефекта, способного играть роль кубита, — NV-центр в алмазе. Это пара из атома азота и «дырки» или вакансии, то есть пустого места в кристалле. Российский эксперт, научный директор Российского квантового центра Алексей Акимов, комментируя открытие для Наука Mail, рассказал и о других дефектах, которые могут приносить пользу.
NV-центр в алмазе чуть ли не единственный, на котором удалось продемонстрировать квантовую память при комнатной температуре. В алмазе есть и другие центры окраски, такие как кремний-вакансия и схожие центры с атомами из четвертого столбца таблицы Менделеева. На них удалось показать квантовые операции, но уже при криогенных температурах. Есть также схожие центры окраски в карбиде кремния и в нитриде бора. Однако большинство этих центров скорее рассматривается учеными для использования в качестве сенсоров, чем для приложений в квантовых вычислениях
NV-центры в алмазе при всей своей «удобности» имеют один весомый недостаток: они испускают излучение в видимом диапазоне, то есть, если бы они были музыкальным инструментом, то «играли бы слишком высоко». Это неудобно для связи между будущими квантовыми компьютерами. Оптоволокно, которое связывает процессоры, лучше всего передает свет в телекоммуникационном диапазоне, и преобразовывать в него фотоны, исходящие из дефектов алмаза, — задача технически сложная.
«Данная работа посвящена поиску нового интересного центра окраски, который может быть использован в качестве кубита. Если бы эти центры окраски излучали в телеком-диапазоне, было бы в какой-то степени удобнее, так как не нужно было бы делать преобразования частоты излучаемого света. Такое преобразование на уровне одиночных фотонов сделать в принципе возможно, но реализовать его на практике очень и очень сложно. Новый центр, предложенный Калифорнийским университетом, как раз излучает в телеком-диапазоне», — рассказал Акимов.
CN-центр в кремнии, который описывают американские ученые в своей работе, удобен тем, что его производство не потребует значительных капиталовложений, ведь его основа — кремний. Акимов также подчеркнул, что работа с кремнием — это мечта индустрии, так как это самый технологичный материал современной электроники.
«Сегодня в нем действительно делают кубиты, в том числе и в России, в Нижнем Новгороде. Направление по использованию дефектов в кремнии тоже существует, но, на мой взгляд, не пользуется большой популярностью. Новый центр окраски — заход с другой стороны, попытка привнести оптические технологии в ставшую уже чисто электротехнической область кубитов в кремнии», — отметил Акимов.
До сих пор одним из фаворитов в стане «кремниевых кубитов» был Т-центр (образован атомами углерода и водорода), который тоже умеет излучать в нужном телеком-окне. Он хорош еще и тем, что может сохранять квантовую информацию. Но у него, как объясняют физики, есть ахиллесова пята — водород. Этот элемент очень подвижен, его перемещения трудно контролировать при производстве чипов. Из-за этого кубиты на основе Т-центров получаются слишком чувствительными к условиям создания и непредсказуемыми по свойствам на выходе.
При этом утверждается, что свойства его похожи на свойства NV-центра. Значит, есть шанс использовать его в вычислителях, но уже с возможностью связи квантовых процессоров. Интересно, что в обоих случаях в центре участвует азот. Кремний прямо под углеродом в таблице Менделеева, поэтому можно ожидать похожий центр с похожим атомом. Только теперь вместо вакансии выступает углерод — один из частых примесных дефектов в полупроводниках. Нет сомнений, что комбинация углерод-азот более стабильна, чем что-либо связанное в водородом, в этом смысле есть несомненный шаг вперед
Используя мощные компьютерные симуляции, ученые США смоделировали поведение CN-центра на атомном уровне еще до того, как его удалось создать в лаборатории. Результаты показали, что он стабилен по структуре, сохраняет нужные квантовые свойства и, что самое главное, излучает именно в телекоммуникационном диапазоне.
Конечно, путь от теоретического прогноза до работающего чипа долог, отмечает российский эксперт: «Предполагаю, что все основные проблемы кремниевой платформы, связанные с высочайшими требованиями как к самому материалу, так и к изготовлению структур на нем, в этом случае сохраняются. В целом это только первый шаг. Впереди еще долгий путь, который покажет, насколько перспективным окажется этот новый центр окраски».
Если в дальнейшем выдающиеся свойства CN-центра подтвердятся в экспериментах, он сможет стать практичным строительным блоком для квантовых устройств будущего. Это позволит связывать квантовые процессоры в сети, что приблизит эру по-настоящему мощных квантовых вычислительных устройств.
Ранее Наука Mail рассказывала о создании летающих кубитов и запуске на квантовом компьютере машинного обучения.
