Дата публикации: 09.11.2020
На этой иллюстрации наноразмерного узла, созданного лабораторией Ника Вамивакаса, профессора квантовой оптики и квантовой физики, показан крупный план одной из колонн массива высотой всего 120 нанометров каждая. Каждый столб служит маркером местоположения для квантового состояния, которое может взаимодействовать с фотонами. Новое расположение диселенида вольфрама (WSe2) покрывает колонны нижележащим высокореакционным слоем трийодида хрома (CrI3). Там, где соприкасаются атомно тонкие слои с площадью 12 микрон, CrI3 передает электрический заряд WSe2, создавая «дыру» рядом с каждой из опор. Предоставлено: иллюстрация Рочестерского университета / Майкл Осадив.
Исследователи из Университета Рочестера и Корнельского университета сделали важный шаг к разработке сети квантовой связи на основе фотонов. Поскольку эти меры света не обладают массой, да к тому же претендуют на роль ключевых элементов квантовых вычислений и систем связи, они делают возможным обмен данными на значительных расстояниях. И группе учёных удалось доказать это экспериментально путём излучения и приёма лазерных фотонов с помощью наноразмерного узла, специально разработанного из магнитных и полупроводниковых материалов. В сети из нескольких таких узлов приём и передача сигнала ими друг другу показали реальность построения и устойчивости подобного взаимодействия.
Более того, поскольку скорость света – самая высокая из всех нам известных, то и разработка такой сети, основанной на характерной природе квантово-механических свойств света и материи, обещает более быстрые и эффективные способы связи, чем те, которыми мы довольствуемся сейчас. Только представьте: почти мгновенные вычисления, повышение точности результатов поисковиков, обмена гео-данными, обнаружение объектов и запредельно низкий пинг в сетевых играх.
Как описывается авторами исследования, узел состоит из платформы с атомарно тонкими слоями полупроводников и магнитных материалов. На ней базируется массив 120-тинанометровых столбов, служащих маркером местоположения для квантового состояния. Оно в свою очередь может взаимодействовать с фотонами, а связанные фотоны (потенциально) могут взаимодействовать как с другими местоположениями на устройстве, так и с аналогичными массивами в других местоположениях. Потенциал соединения квантовых узлов через удалённую сеть основан на связанности свойств частиц на субатомном уровне. На самом базовом уровне эта связь описывается феноменом квантовой запутанности.
«Это начало создания своего рода регистра, если хотите, где различные пространственные точки могут хранить информацию и взаимодействовать с фотонами», – говорит Ник Вамивакас, профессор квантовой оптики и квантовой физики в Рочестере.
А в предыстории – немного теории
Благодаря весьма соблазнительной скорости работы и низкому энергопотреблению, в новейших достижениях по обработке информации выделяются фотонные микросхемы, отличающиеся всё более значимой ролью. Поэтому атомарно тонкие монослойные пластины полупроводников из переходного металла между двумя столь же тонкими слоями халькогена (так называемые дихалькогениды переходных металлов или ДПМ) возникли как уникальная материальная платформа-интерфейс для поляризации фотона через связанную степень свободы спин-долинных носителей заряда.
Сами долины представляют собой участки крайних значений энергии или «минимумы зоны проводимости». Просто помещая электрон в одну из них мы можем кодировать информацию, что в сочетании со спином электрона позволяет значительно расширить эти возможности. Например, одиночный спин или пара долин по отдельности – это всего лишь один бит информации (0 или 1). Но если объединить две долины со спинами электронов, принимающих различные значения, то мы получим двухбитовую характеристику, имеющую уже четыре значения. Хотя применение заряда, вообще-то, может повысить КПД такого объединения аж до восьми значений.
Ещё ближе к «миниатюризации квантового компьютера»
В исследовании и развитии вышеописанной технологии преуспела лаборатория Vamivakas, чья работа последних лет, где изучено применение диселенида вольфрама (WSe2) в так называемых гетероструктурах Ван-дер-Ваальса, когда для создания или захвата одиночных фотонов используются слои атомно тонких материалов, расположенные друг на друге, стала основой проекта.
В разрабатываемом устройстве задействовано новое расположение WSe2: вещество нанесли на опоры с нижележащим высокореактивным слоем трийодида хрома (CrI3). В местах соприкосновения атомно тонких слоёв, площадью 12 микрон, от CrI3 передаётся заряд электричества к WSe2, чем создаётся «дыра» (или лунка, брешь) рядом с каждой из опор.
В квантовой физике такие лунки характеризуются отсутствием электрона. Так что каждая такая положительно заряженная дыра имеет наномагнитную природу, что обусловлено комбинацией их размеров и двойных магнитных свойств север/юг.
Когда устройство залито лазерным светом (т. е. усиленным светом принудительного излучения), дальнейшие реакции преобразуют наномагнетики в отдельные оптически активные спиновые массивы, к свойствам которых относятся излучение и различные взаимодействия с фотонами. Это позволяет снять некоторые ограничения и расширить возможности обработки информации, ведь получается, что спиновые состояния могут кодировать ноль и единицу одновременно, а вот классическая обработка данных имеет дело с битами, значение которых равно либо только нулю, либо только единице.
Используя спин-зависимый перенос заряда в устройстве, учёные из Рочестера продемонстрировали «программируемость» спина для спиновой долины в локализованной одиночной лунке (той самой безэлектронной «дырке»). А сочетание квантовых излучателей из диселенида вольфрама для координации пространственного расположения с использованием вызывающих деформацию наностолбиков, открывает возможность для крупномасштабных массивов оптически производимых и адресно располагаемых дыр со спиновой долиной в твердотельной платформе.
«Возможность контролировать ориентацию вращения отверстия с помощью ультратонкого CrI3 и большого размера 12 микрон устраняет необходимость в использовании внешних магнитных полей гигантских магнитных катушек, подобных тем, которые используются в системах МРТ, – поясняет перспективы нового детища исследовательской группы ведущий автор проекта и аспирант Арунабх Мукерджи. – Это будет иметь большое значение для миниатюризации квантового компьютера на основе спинов отдельных лунок».
Вообще, значение изолированных спинов для квантовой информатики уже далеко не сюрприз. Они уже давно являются центральной темой интенсивных инженерных исследований из-за потенциала их применения в качестве кубитов. Оптический доступ к одиночным спинам в полупроводниках отлично стимулировал исследования, нацеленные на создание квантовых сетей. И вот теперь мы поставили одну ногу на следующую ступеньку.
Но сможем ли мы переместить сюда и вторую?
Что предстоит решить
При создании устройства исследователи столкнулись с двумя основными проблемами.
Одна из них – создание инертной среды для работы с высокореактивным CrI3. И, чтобы не стать объектами поговорки «Ну что, попробовали? А теперь смотрите инструкцию», по признанию самого Вамивакаса, именно здесь их коллективу потребовалось сотрудничество с Корнельским университетом:
«У них большой опыт работы с трийодидом хрома, и, поскольку мы работали с ним впервые, мы согласовали с ними этот аспект».
Так, например, оказалось, что дабы избежать разложения кислорода и влаги, производить изготовление вещества нужно исключительно в перчаточных боксах, заполненных азотом.
Другой проблемой стало определение правильной конфигурации столбов в массиве. Она должна гарантировать возможность тем самым лункам-дырам и спиновым впадинам (долинам) каждого столба, быть зарегистрированными для подключения к другим узлам должным образом
И в этом заключается следующая серьёзная проблема: найти способ посылать фотоны на большие расстояния по оптоволокну к другим узлам, сохраняя при этом их свойства запутанности.
«Мы ещё не разработали устройство, способствующее такому поведению», – признаёт Вамивакас. Но команда не сидит сложа руки, и он уверенно заключает:
«Это в будущем».
АРМК, по материалам: Nature Communications и Университета Рочестера