Но практические устройства квантовых вычислений на основе алмаза потребуют способности размещать эти дефекты в точных местах в сложных алмазных структурах, где дефекты могут функционировать как кубиты, основные единицы информации в квантовых вычислениях. В Nature Communications группа исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и национальных лабораторий Sandia сообщает о новом методе создания целевых дефектов, который проще и точнее, чем его предшественники.
В экспериментах дефекты, полученные с помощью этого метода, в среднем находились в пределах 50 нанометров от их идеального местоположения.«Мечта о квантовой обработке информации состоит в том, чтобы создать оптическую схему для перемещения фотонных кубитов, а затем разместить квантовую память там, где она вам нужна», — говорит Дирк Инглунд, доцент электротехники и информатики, возглавлявший команду Массачусетского технологического института. «Мы почти закончили с этим. Эти излучатели почти идеальны».
В новой статье 15 соавторов. Семь из них из Массачусетского технологического института, включая Инглунда и первого автора Тима Шредера, который был постдоком в лаборатории Инглунда, когда работа была сделана, а теперь является доцентом в Институте Нильса Бора Копенгагенского университета. Эдвард Белеек возглавил команду Sandia, а профессор физики Михаил Лукин возглавил команду из Гарварда.Привлекательные дефекты
Квантовые компьютеры, которые все еще остаются в значительной степени гипотетическими, используют феномен квантовой «суперпозиции» или противоречащую интуиции способность малых частиц одновременно населять противоречивые физические состояния. Например, можно сказать, что электрон находится более чем в одном месте одновременно или имеет две противоположные магнитные ориентации.
Если в обычном компьютере бит может представлять ноль или единицу, «кубит» или квантовый бит может представлять ноль, единицу или оба одновременно. Это способность цепочек кубитов в некотором смысле одновременно исследовать несколько решений проблемы, которая обещает ускорение вычислений.
Кубиты с алмазными дефектами являются результатом комбинации «вакансий», которые представляют собой места в кристаллической решетке алмаза, где должен быть атом углерода, но его нет, и «легирующих примесей», которые представляют собой атомы других материалов, кроме углерода, которые имеют попали в решетку. Вместе легирующая добавка и вакансия создают «центр» легирующей вакансии, с которым связаны свободные электроны. Магнитная ориентация электронов, или «спин», который может находиться в суперпозиции, составляет кубит.Извечная проблема при разработке квантовых компьютеров — как считывать информацию с кубитов.
Дефекты алмазов представляют собой простое решение, потому что они являются естественными источниками света. Фактически, легкие частицы, испускаемые дефектами алмаза, могут сохранять суперпозицию кубитов, поэтому они могут перемещать квантовую информацию между квантовыми вычислительными устройствами.Силиконовый переключатель
Наиболее изученным дефектом алмаза является центр вакансии азота, который может поддерживать суперпозицию дольше, чем любой другой кубит-кандидат. Но он излучает свет в относительно широком спектре частот, что может привести к неточностям в измерениях, на которых основаны квантовые вычисления.
В своей новой статье исследователи из Массачусетского технологического института, Гарварда и Сандиа вместо этого используют центры кремниевых вакансий, которые излучают свет в очень узкой полосе частот. Они, естественно, также не поддерживают суперпозицию, но теория предполагает, что охлаждение их до температур в диапазоне милликельвинов — доли градуса выше абсолютного нуля — может решить эту проблему. (Кубиты с азотными вакансионными центрами требуют охлаждения до относительно приятных 4 кельвинов.)Однако, чтобы быть читаемыми, сигналы от светоизлучающих кубитов должны быть усилены, и должна быть возможность направлять их и рекомбинировать для выполнения вычислений.
Вот почему важна способность точно определять местонахождение дефектов: легче протравить оптические схемы в алмазе, а затем вставить дефекты в нужные места, чем создавать дефекты случайным образом, а затем пытаться построить вокруг них оптические схемы.В процессе, описанном в новой статье, исследователи из Массачусетского технологического института и Гарварда сначала строгали синтетический алмаз до толщины всего 200 нанометров. Затем они протравили оптические полости на поверхности алмаза.
Они увеличивают яркость света, излучаемого дефектами (сокращая время излучения).Затем они отправили алмаз команде Sandia, которая настроила коммерческое устройство под названием Nano-Implanter для выброса потоков ионов кремния. Исследователи Sandia выпустили от 20 до 30 ионов кремния в каждую оптическую полость алмаза и отправили его обратно в Кембридж.
Мобильные вакансииК этому моменту только около 2% полостей имели связанные центры кремниевых вакансий. Но исследователи из Массачусетского технологического института и Гарварда также разработали процессы взрыва алмаза пучками электронов для создания большего количества вакансий, а затем нагрев алмаза примерно до 1000 градусов Цельсия, что заставляет вакансии перемещаться по кристаллической решетке, чтобы они могли связываться с кремнием. атомы.
После того, как исследователи подвергли алмаз этим двум процессам, выход увеличился в десять раз, до 20 процентов. В принципе, повторение процессов должно еще больше увеличить выход вакансионных центров кремния.
Когда исследователи проанализировали расположение центров кремниевых вакансий, они обнаружили, что они находятся в пределах примерно 50 нанометров от их оптимального положения на краю полости. Это преобразовалось в излучаемый свет, который был примерно на 85-90 процентов ярче, чем он мог бы быть, что все еще очень хорошо.