Российские ученые изучают возможности применения димерных ассоциатов редкоземельных ионов в форстерите, на основе которых можно строить квантовые вычисления.

В основе потенциальных достоинств квантового компьютера лежит свойство запутанных состояний, которое позволяет хранить и обрабатывать большое количество информации в меньшем числе кубитов. Для реализации квантовых вычислений выдвигались различные варианты, например, использовать комбинированный кубит или кубит на электронных спинах.

Российские ученые предложили в качестве материалов, пригодных для применения в вычислениях и квантовой памяти, примесные редкоземельные ионы (РЗ). Специфические магнитные свойства и структура таких соединений (обладание большим временем декогеренции, оптимальная величина спин-спинового взаимодействия) представляют возможность для операций квантово-механических вычислений.

С этой целью отечественные специалисты вырастили монокристаллы форстерита и легировали его редкоземельными ионами иттербия и эрбия. Затем на спектрометрах электронного парамагнитного резонанса стандартными методами определили структуру парамагнитных центров, образованных примесными ионами. Для обоих ионов выявлен эффект димерной самоорганизации и определен механизм спин-спинового взаимодействия ионов, которые образуют ассоциат. Путем структурного моделирования методом межатомных потенциалов произведено уточнение функциональных характеристик димерного ассоциата иттербия и определена его наиболее вероятная структура.

Два совместных проекта ученых из Москвы и Казани по теме «Димеры редкоземельных ионов для квантовой информатики» были поддержаны двумя грантами РФФИ. Эти исследования, рассчитанные на период с 2015 по 2020 год, проходят в России и носят межинститутский характер. Проекты РФФИ трехгодичные. Первый – 2015–2017 гг., второй – 2018–2020 гг. Научный коллектив составляют сотрудники Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского Казанского научного центра РАН (г. Казань), Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (г. Москва) и МГУ.

Результаты теоретического моделирования и экспериментальных работ, полученных группой ученых, обнародованы в рецензируемых отечественных изданиях (Письма в ЖЭТФ, 2017, том 106,вып.2., с.78–83; Физика твердого тела, 2019, том 61, вып.2; Физика твердого тела, 2019, том 61, вып.4).

Руководитель рабочей группы и инициатор проведения исследований по поиску эффекта димерной самоорганизации примесных редкоземельных ионов в форстерите  – Тарасов Валерий Федорович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории радиоспектроскопии диэлектриков Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского – обособленного структурного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» (г. Казань) – предоставил развернутую информацию о характере исследовательской работы научного коллектива и о специфике изучения димерных ассоциатов редкоземельных ионов, в частности, о выявленных уникальных данных.