Открыт новый метод формирования цветовых центров для квантовых излучателей

Перспектива создания квантового Интернета, объединяющего квантовые компьютеры и способного обеспечить высокую безопасность передачи данных, заманчива, но ее реализация представляет собой сложную задачу.

Для передачи квантовой информации необходимо работать с отдельными фотонами, а не с источниками света, используемыми в обычных оптоволоконных сетях. Для получения отдельных фотонов и манипулирования ими ученые обращаются к квантовым излучателям света, известным также как цветовые центры. Эти дефекты атомного масштаба в полупроводниковых материалах могут излучать одиночные фотоны фиксированной длины волны или цвета и позволяют фотонам управляемым образом взаимодействовать со спиновыми свойствами электронов.

Недавно группа исследователей продемонстрировала более эффективную методику создания квантовых излучателей с помощью импульсных ионных пучков, что углубило наше понимание того, как формируются квантовые излучатели. Работа проводилась под руководством исследователей Национальной лаборатории имени Лоренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США Томаса Шенкеля, Лианга Тана и Бубакара Канте, который также является доцентом кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied и являются частью более масштабной работы группы по определению наилучших квантовых дефектов-излучателей для обработки и переноса квантовой информации и их прецизионному изготовлению.

Созданные нами центры цвета являются кандидатами на то, чтобы стать основой квантового Интернета и ключевым ресурсом для масштабируемой обработки квантовой информации, — сообщает Шенкель, старший научный сотрудник отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) Лаборатории Беркли.

Они могут поддерживать связь между узлами квантовых вычислений для масштабируемых квантовых вычислений.

В данной работе группа нацелилась на изготовление особого типа цветового центра в кремнии, состоящего из двух замещенных атомов углерода и слегка смещенного атома кремния. Традиционный метод получения дефектов заключается в непрерывном облучении кремния высокоэнергетическими ионами, однако исследователи обнаружили, что импульсный ионный пучок значительно эффективнее и позволяет получить гораздо больше желаемых цветовых центров.

Мы были удивлены, обнаружив, что эти дефекты легче генерировать с помощью импульсных ионных пучков, — говорит Вей Лю, постдокторский ученый из ATAP и первый автор публикации.

В настоящее время в промышленности и научных кругах используются в основном непрерывные пучки, но мы продемонстрировали более эффективный подход.

Исследователи считают, что переходные возбуждения, создаваемые импульсным пучком, когда температура и энергетика системы быстро меняются, являются ключом к более эффективному формированию центров окраски, что было установлено ими в ходе более раннего исследования с использованием импульсных ионных пучков из ускорителя с лазерным приводом, опубликованного в журнале Communications Materials.

Команда охарактеризовала цветовые центры при криогенных температурах, используя для исследования их оптических сигналов высокочувствительные детекторы ближнего инфракрасного диапазона. Было обнаружено, что интенсивность ионного пучка, используемого для создания центров окраски, изменяет оптические свойства испускаемых ими фотонов. Крупномасштабное компьютерное моделирование на системе Перлмуттера в Национальном исследовательском научном вычислительном центре энергетики (NERSC) позволило получить дополнительные сведения об этом открытии, показав, что длина волны испускаемых фотонов чувствительна к деформации кристаллической решетки.

Первопринципные расчеты электронной структуры стали основным методом для понимания свойств дефектов, — добавляет Всеволод Иванов, постдокторант из Molecular Foundry и один из первых авторов публикации.

Мы достигли того уровня, когда можем предсказать поведение дефекта даже в сложных условиях.

Полученные результаты позволяют также предположить новое применение центров окраски квантовых эмиттеров в качестве датчиков излучения.

Это открывает новые направления, — отмечает Тан, штатный научный сотрудник Лаборатории Беркли (Berkeley Lab's Molecular Foundry).

Мы можем сформировать этот цветовой центр, просто ударив протоном по кремнию. Потенциально мы могли бы использовать его в качестве детектора темной материи или нейтрино с направленностью, поскольку мы видим различные поля деформации в зависимости от того, с какой стороны пришло излучение.

Получив более глубокое представление о формировании и свойствах квантовых излучателей, команда продолжает расширять свои исследования центров цвета. Текущая работа включает в себя создание базы данных цветовых центров, предсказанных в кремнии, использование компьютерного моделирования для выявления тех из них, которые лучше всего подходят для квантовых вычислений и сетевых приложений, а также совершенствование технологий изготовления для получения детерминированного контроля над созданием отдельных цветовых центров.

Мы работаем над созданием новой парадигмы «квантовых бит по дизайну», — говорит Канте. „Можем ли мы надежно сделать такой центр цвета, который работает в телекоммуникационном диапазоне, имеет достаточную яркость, не слишком сложен в изготовлении, имеет память и т.д.? Мы занимаемся этими поисками и уже продемонстрировали некоторые интересные достижения“.

Новые пути формирования центров окраски с помощью интенсивных пучков, раскрытые в данной работе, являются захватывающим применением условий высокой плотности энергии и науки о плазме для совершенствования технологий квантовой информатики, — заключает директор подразделения ATAP Камерон Геддес.

22.08.2023