Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences) разработали метод получения алмазных нанопроводов – это достижение позволяет приблизить создание практических приложений, работающих на принципах квантовой физики.

Новое устройство позволяет создать интенсивный, стабильно работающий источник отдельных фотонов, работающий при комнатной температуре, оно является важным элементом для создания быстрого квантового компьютера, не искажающего данные в процессе работы.

В группе Марко Лонкара (Marko Loncar) было обнаружено, что производительность источника отдельных фотонов, основанного на светоизлучающем дефекте (центре цвета) алмаза может быть улучшена за счет наноструктурирования алмаза и введения дефектов в полученный нанопровод.

Оптико-фотонные свойства природных алмазов впервые начали применяться после того, как исследователи выяснили особенности управления спином электрона или собственным моментом количества движения, связанным с азотной вакансией [nitrogen vacancy (NV)] центра цвета драгоценного камня. Квантовое состояние (квантовый выход – qubit) может быть инициализирован и измерен и считан с помощью света.

Нанопроводное устройство из алмаза

Центр цвета «обменивается информацией» за счет испускания или поглощения фотонов. Поток фотонов от центра цвета дает возможность переноса информации, позволяя контролировать, запасать и хранить фотоны для любого типа обмена или обработки данных. Однако эффективный сбор фотонов затруднен вследствие того, что зачастую центры цвета находятся глубоко во внутренней структуре алмаза.

Лонкар поясняет, что главной проблемой в разработке квантовых компьютеров является «подключение» центра цвета к устройству и интегрирование этого дефекта в общую систему квантового прибора. По словам исследователя из Гарварда, связь относящегося к наномиру центра цвета со световодами и линзами, представляющими уже макромир, является «недостающим звеном» в создании квантовых информационных систем.

Устройство на основе алмазных нанопроводов позволит решить проблему этого «недостающего звена», осуществляя естественное и эффективное связывание пробы с индивидуальным центром цвета, увеличивая его яркость и чувствительность, улучшенные оптические свойства коллектора протонов позволяют увеличить его эффективность по крайней мере на порядок.

Фотонная система на основе алмазных нанопроводов лишена недостатков, присущих другим устройствам подобного рода, в основе которых лежат флуоресцентные красители, квантовые точки и нанотрубки – алмазные нанопровода могут быть получены в больших количествах и интегрированы в различные наноустройства.

Исследователи применили нисходящую методику получения нанообъектов для внедрения цветных центров цвета в предварительно обработанные структуры. Получение большой системы наноустройств, в которой они будут интегрированы и смогу работать как независимо, так и в ансамбле, делает более вероятным разработку квантовых сетей.

Открытие специалистов из Гарварда позволит создать новый класс наноструктурных устройств из алмаза, которые смогут найти применение в квантовых системах передачи и обработки данных, а также разработать новые контрасты для визуализации результатов химических, биологических и медицинских исследований.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Препринт статьи можно скачать с сайта arxiv.org.