Поворот кристалла открывает новый мощный способ управления квантовым светом

Фото из открытых источников

Для квантовых компьютеров необходимы источники света, которые ведут себя абсолютно одинаково. Это проще сказать, чем сделать. Крошечные дефекты, которые порождают эти частицы света, образуются естественным образом внутри кристаллов, и каждая из них в итоге приобретает свой собственный, немного отличающийся цвет.

Как только это произойдёт, изменить ситуацию практически невозможно, что значительно затрудняет объединение большого количества таких устройств в единое квантовое устройство.

Теперь исследователи из Сиднея нашли удивительно простое решение. Вместо того чтобы пытаться изменить сами излучатели, они разделили сверхтонкий кристалл, скрутили один слой и наблюдали, как цвет света изменился гораздо сильнее, чем кто-либо ожидал. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Источниками света являются квантовые излучатели — дефекты атомного масштаба в кристалле, которые испускают отдельную частицу света при воздействии лазера. Эти одиночные частицы являются рабочей валютой квантовых вычислений и сверхточного зондирования.

Проблема заключается в контроле. В твердых кристаллах, таких как алмаз, каждый излучатель заключен в твердый блок, и его цвет определяется в момент образования. Два почти идентичных излучателя часто светятся немного разными оттенками, и нет способа их выровнять. Это несоответствие является самым большим препятствием для подключения множества излучателей к одному устройству.

Ангус Гейл, возглавлявший исследование в Сиднейском технологическом университете (UTS), работает над материалом, который может позволить обойти эту проблему. Его лаборатория сыграла новаторскую роль в этой разработке около десяти лет назад.

Этот материал — гексагональный нитрид бора. Вместо сплошного блока это стопка тончайших, как атомы, листов, скрепленных настолько неплотно, что их можно разделять, сдвигать и снова складывать, не опасаясь растрескивания.

Алмаз не предоставляет такой свободы. Его атомы связаны между собой прочными связями, поэтому готовое устройство застывает, и любой дефект внутри остается таким, каким он был при формировании. Эта рыхлая, слоистая структура дала команде возможность.

Отдельный лист сам по себе мало что делает. Интересное поведение проявляется в месте соприкосновения двух листов. Расположение их атомов зависит от угла наклона верхнего листа, а его поворот изменяет картину вокруг скрытого излучателя.

Регулировка угла между слоями толщиной в несколько атомов выделилась в отдельную область науки, называемую твистроникой. Если расположить два плоских слоя в одном направлении, они практически не будут взаимодействовать. Если немного изменить угол, пара может вести себя как новый материал.

Эта идея получила широкое распространение в 2018 году, когда физики обнаружили, что два слоя графена, смещенные примерно на один градус, внезапно начали проводить электричество без сопротивления — результат, описанный в одном из исследований. Команда Гейла перенесла этот же прием с электричества на свет.

Прежде чем что-либо предпринимать, модели предсказывали, что поворот верхнего слоя изменит направление света излучателей. Затем команда создала устройство и протестировала его.

Скручивание сместило излучаемый свет более чем на 30 нанометров, что, по мнению исследователей, является явным изменением цвета, обусловленным тем, как вращение перестраивает структуру вокруг каждого дефекта.

В этом исследовании мы отходим от проторенной дорожки. Почти в каждом подобном эксперименте ученые фиксируют один угол скручивания при сборке устройства, а затем оставляют его в покое, поскольку детали изначально не предназначались для разборки.

Группа Гейла поступила наоборот. Они подняли верхний слой, повернули его, затем опустили на место, измерили освещенность, а затем повторяли процесс снова и снова, каждый раз получая разный цвет. Никто ранее не демонстрировал столь воспроизводимый, непосредственный контроль над отдельным излучателем.

Масштаб изменений их удивил. Более старые методы, при которых кристалл растягивался, смещали свет лишь примерно на две трети от исходного положения, и это растяжение было необратимым. Такой подход оказался более эффективным и мог повторяться снова и снова.

«Часто, когда вы управляете такими системами, возможности манипулирования очень ограничены, но в данном случае изменения оказались гораздо масштабнее, чем ожидалось», — сказал Гейл.

Такая повторяемость превращает разовое производственное решение в регулируемый параметр.

Это ещё не готовый результат. Пока нет. Команда провела качественную демонстрацию в лаборатории, но до полноценной квантовой машины, которую мог бы включить любой желающий, ещё очень далеко.

Одной из сложных задач является точное размещение излучателей. В настоящее время исследователи могут разместить дефект только с точностью до 250 нанометров от цели. Печать больших и надежных сеток с этими дефектами также остается сложной задачей, хотя предварительные исследования показали, что это возможно.

Ещё одним ограничением является время. Каждый излучатель сохраняет своё хрупкое квантовое состояние лишь около двух миллионных долей секунды, после чего оно исчезает, что намного меньше, чем в алмазе.

Проблема обеспечения бесперебойной подачи этих источников света в крошечные камеры, направляющие свет на чипе, также остается нерешенной.

Тем не менее, выгода очевидна. Создание квантового компьютера на основе света означает обеспечение возможности генерации действительно идентичных частиц множеством излучателей. Один случайный источник излучения может вынудить инженеров выбросить устройство и начать все заново. Это дорогостоящая и распространенная ситуация.

Вместо этого, многоразовый механизм поворота мог бы повернуть неисправный излучатель обратно в линию и согласовать его с остальной частью чипа. 

Профессор Игорь Ааронович, ведущий физик проекта, считает, что преимущества могут распространиться на медицинские датчики, защищенную связь и более точное позиционирование. «Можно взять два слоя, которые сами по себе мало что значат, соединить их под определенным углом, и внезапно вы получите совершенно другую систему», — сказал он.

По его словам, привлекательность заключается в том, насколько многого можно достичь с помощью небольшого шага. До сих пор цвет квантового излучателя в значительной степени фиксировался после создания устройства.

Данная работа предлагает многоразовый способ настройки цвета после изготовления, помогая преодолеть серьезное препятствие на пути к созданию более крупных квантовых систем и приближая нас на шаг к практическим квантовым технологиям.