×

Дефектные центры в алмазных наноструктурах в качестве возможных квантов. Источник.

Алмаз, один из самых твёрдых на планете минералов, нашёл широкое применение во многих направлениях промышленности. Особенно ‒ там, где речь идёт об оптике и электронике. Транзисторы, детекторы излучений, ультрафиолетовые фотоприёмники, поликристаллические плёнки ‒ это и многое другое стоит на прочном алмазном фундаменте. Также его камни часто ассоциируются с дорогими украшениями или абразивными покрытиями, однако всем этим его блестящий потенциал далеко не исчерпан, и этот материал ещё не раз нам пригодится для создания технологий будущего.

Например, обнаружено, что существующие в алмазе светочувствительные дефекты атомного масштаба могут излучать одиночные световые частицы, называемые одиночными фотонами, что позволяет им выступать в качестве превосходных квантовых битов. Да: теперь алмаз ‒ это ещё и многообещающая платформа для следующей эры квантовых вычислений и коммуникаций.

Об этом сообщают исследователи из группы «Интегрированная квантовая фотоника» под руководством профессора доктора Тима Шредера из Университета имени Гумбольдта в Берлине. Им впервые удалось генерировать и регистрировать фотоны со стабильными частотами фотонов, испускаемых квантовыми источниками света.

А теперь по порядку: чтобы обеспечить передачу данных с приемлемыми скоростями связи на большие расстояния в квантовой сети, все фотоны должны собираться в оптических волокнах и передаваться без потерь. Также необходимо убедиться, что все эти фотоны имеют одинаковый цвет (а значит и частоту). Выполнить эти требования до сих пор было невозможно.

Дело в том, что один дефект ‒ дефект азотных вакансий (NV), ‒ зарекомендовавший себя как настоящая квантовая память, уже довольно хорошо изучен, но по-настоящему эффективное его использование для задач квантовой обработки данных пока остаётся серьёзной проблемой. Всё потому, что NV чрезвычайно чувствительны к электронным шумам, приводящим с течением времени к спектральным сдвигам. Это явление, известное как спектральная диффузия, нарушает самую важную задачу тех самых азотных вакансий: создание спин-фотонной запутанности.

Уменьшение сдвига частоты фотонов, излучаемых из азотно-вакансионных дефектных центров, стало возможным благодаря тщательному выбору алмазного материала и сложных методов производства в нано-масштабах, осуществляемых в Объединённой лаборатории алмазной нанофотоники Института Фердинанда-Брауна. Оказалось, что, комбинируя различные материалы и методы, мешающие передаче данных шумы можно значительно снизить, благодаря чему частота излучения фотонов существенно стабилизируется.

Помимо этого, изменились и скорости связи между пространственно разделёнными квантовыми системами. Да так, что в перспективе разработка способна увеличить темпы взаимодействия более чем в 1000 раз! А это уже само по себе является важным шагом к «настоящему квантовому интернету».

Добиться такого продвижения удалось благодаря помещению отдельных кубитов в оптимизированные алмазные наноструктуры. Будучи в 1000 раз тоньше человеческого волоса, эти структуры позволяют направленно передавать излучаемые фотоны в стеклянные волокна.

Особенностью используемого алмазного материала является относительно высокая плотность примесных атомов азота в кристаллической решётке. Возможно, именно они защищают квантовый источник света от электронного шума на поверхности наноструктуры. 

«Однако точные физические процессы необходимо изучить более подробно в будущем», ‒ объясняет Лаура Орфал-Кобин, одна из участников исследования.

Тем не менее учёные уже могут утверждать, что разработанный ими когерентный оптический контроль делает свободные электроны более предсказуемыми и в какой-то степени управляемыми. Это позволяет уменьшить спектральную диффузию и ‒ более того ‒ закладывает основу для эффективной генерации запутанности со скоростями на порядки выше, чем достигаются в существующих решениях.

Команда особенно отмечает тот факт, что выводы, сделанные по итогам испытаний, весьма достоверно соответствуют прогнозам статистических моделей и результатам теоретических симуляций, проработанных доктором Грегором Пиплоу, ещё одним участником исследовательской группы. А всё потому, что, когда теоретическая и экспериментальная физика приходят к одному и тому же заключению, откуда-то из прошлого учёным улыбается Альбер Эйнштейн:

«Теория ‒ это когда всё известно, но ничего не работает. Практика ‒ это когда всё работает, но никто не знает почему. Мы же объединяем теорию и практику: ничего не работает… и никто не знает почему!»


АРМК, по материалам Берлинского университета Гумбольдта.