Дефекты кристаллов станут «квантовыми магистралями» для масштабируемых кубитов

Учёные из Университета штата Огайо и Чикагского университета предложили использовать дислокации — линейные дефекты в кристаллической решётке алмаза— для создания масштабируемых квантовых технологий. Результаты исследования показывают, что дислокации могут служить «квантовыми магистралями» для соединения кубитов.

Исследователи провели моделирование с использованием передовых методов, основанных на фундаментальных принципах. Они изучили азотно-замещённые вакансии (NV-центры) в алмазе — перспективной платформе для создания твердотельных кубитов. Моделирование показало, что NV-центры могут притягиваться к дислокациям и сохранять, а в некоторых случаях даже улучшать свои квантовые свойства вблизи этих дефектов.

«Поскольку дислокации образуют квази-одномерные структуры, проходящие через кристалл, они предоставляют естественную основу для организации кубитов в упорядоченные массивы», — отметил один из авторов работы, сотрудник Чикагского университета Кунжи Чжан.

NV-центры обладают уникальными оптическими и спиновыми свойствами, что делает их перспективными для использования в квантовых технологиях, таких как квантовые вычисления и сенсоры.

В ходе исследования было обнаружено, что многие NV-центры остаются стабильными в нужном зарядовом и спиновом состоянии, сохраняя при этом работоспособный оптический цикл, что позволяет инициировать и считывать их спиновые состояния оптическими методами. Важно, что, согласно прогнозам, некоторые конфигурации NV-центров вблизи дислокаций демонстрируют значительно увеличенное время квантовой когерентности по сравнению с NV-центрами в чистом алмазе.

Учёные объясняют это улучшение нарушением симметрии вблизи дислокации, что создаёт специфические состояния, так называемые «часовые переходы», которые защищают кубит от внешнего магнитного шума. Помимо установления стабильности и когерентности, работа предоставила подробные прогнозы оптических и магнитно-резонансных сигнатур, которые могут помочь в экспериментальной идентификации полезных конфигураций NV-дислокаций.

«Хотя не все расположения дефектов подходят для квантовых операций, результаты показывают, что значительная часть отвечает требованиям для функционирования кубитов», — заявил соавтор работы Юй Цзинь, научный сотрудник Института Флэтайрон.

Результаты исследования открывают новый подход к проектированию квантовых устройств: использование дислокаций не как дефектов, которые необходимо устранять, а как «квантовых магистралей», на которых можно размещать и соединять цепочки взаимодействующих кубитов. Этот подход открывает путь к масштабируемым квантовым соединениям в алмазе и, возможно, в других материалах, предлагая многообещающую стратегию для будущих твердотельных квантовых технологий.

 Источник: Nature Computational Materials