Учёные из Калифорнийского университета (University of California) сообщили о создании нового перспективного «кирпичика» для квантовых технологий — особого дефекта в кремнии, который может работать как устойчивый кубит. Открытие приближает создание квантовых компьютеров и сетей на базе того же материала, из которого сегодня делают обычные процессоры.
Исследователи в группе профессора материаловедения Криса Ван де Валле (Chris Van de Walle) искали способ создать надёжные квантовые элементы в кремнии — самом массовом и технологически отработанном материале современной электроники.
В квантовых устройствах кубиты часто основаны на микроскопических дефектах в кристаллической решётке. Самый известный пример — NV-центр в алмазе, где атом азота соседствует с «дыркой» в решётке. Такие структуры могут взаимодействовать со светом и электронами, излучать одиночные фотоны и передавать квантовую информацию.
В последние годы большое внимание уделялось так называемому T-центру в кремнии. Он способен долго хранить квантовое состояние и излучает свет в телекоммуникационном диапазоне — том, что используется в оптоволоконных сетях. Однако у него есть серьёзный недостаток: в его состав входит водород, который легко перемещается внутри кристалла и делает структуру нестабильной при массовом производстве.
В новой работе исследователи предложили альтернативу — так называемый CN-центр, состоящий только из атомов углерода и азота. Руководитель проекта, Кевин Нангой (Kevin Nangoi), объясняет, что отсутствие водорода делает такой дефект гораздо более прочным и предсказуемым при изготовлении реальных устройств.
Чтобы проверить свойства нового центра, команда использовала вычислительные модели «с первых принципов», которые описывают поведение атомов и электронов на фундаментальном уровне. Такие расчёты позволяют заранее оценить перспективы материала ещё до его создания в лаборатории и направлять дальнейшие эксперименты.
По словам соавтора работы Марка Турьянски (Mark Turiansky), CN-центр воспроизводит ключевые свойства T-центра: он устойчив, хорошо сохраняет квантовую информацию и излучает свет в диапазоне, подходящем для передачи по оптоволокну.
Особое значение имеет именно сочетание этих характеристик с технологичностью кремния. В отличие от алмазов и экзотических кристаллов, кремний уже десятилетиями обрабатывается с высокой точностью и повторяемостью. Это даёт шанс перейти от лабораторных прототипов к массовому производству квантовых компонентов.
Авторы подчёркивают, что пока что CN-центр существует только в расчётах и должен быть подтверждён экспериментально. Однако если его удастся реализовать на практике, он может стать новым стандартным элементом для квантовых чипов, сенсоров и коммуникационных систем.
Как отмечает Крис Ван де Валле, в перспективе такие дефекты позволят создавать квантовые устройства на той же кремниевой платформе, которая сегодня лежит в основе всей мировой электроники. Это может заметно ускорить переход от фундаментальных исследований к масштабируемым квантовым технологиям.