Ученые из НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Швеции, Венгрии и США нашли способ создавать стабильные полупроводниковые кубиты, работающие, в отличие от большинства существующих аналогов, при комнатной температуре. Разработка открывает новые перспективы для создания квантового компьютера, работающего при комнатной температуре. Кроме того, разработку уже сейчас ее можно применять при создании сверхточных магнитометров, сенсоров для изучения живых клеток и новых технологий квантового интернета.

Статья опубликована в Nature Communications.

Квантовый бит (кубит) – наименьший элемент хранения информации в квантовых системах, по аналогии с битом в классическом компьютере. Пока созданы только прототипы квантового компьютера, но ученые едины во мнении, что в будущем такой компьютер будет обладать колоссальной вычислительной мощностью. При этом в ряде сфер квантовые технологии уже успешно применяются: например, для создания сверхзащищенных линий связи.

Одна из главных проблем, стоящих перед учеными – нестабильность кубитов и крайне жесткие температурные условия, требуемые для их работы. На сегодняшний день наиболее популярны кубиты на сверхпроводящих материалах или на одиночных атомах в оптических ловушках. И первые, и вторые существуют только при сверхнизких температурах, требуя колоссальных затрат на постоянное охлаждение системы.

Перспективным аналогом могут стать полупроводниковые материалы: например, известно, что можно создать кубит на точечном дефекте в кристаллической решетке алмаза. Дефект возникает из-за замещения одного атома углерода C атомом азота N, и рядом с ним возникает дефект – незанятая позиция в кристаллической решетке (V, вакансия). Известно, что такой кубит будет работать при комнатной температуре.

Ученые из НИТУ «МИСиС» и Линчёпингского университета (Швеция), совместно с коллегами из Венгрии и США нашли способ создавать стабильные полупроводниковые кубиты из другого материала – карбида кремния (SiC), что значительно более просто и экономически выгодно в сравнении с алмазом. Карбид кремния и ранее рассматривался как перспективный материал для создания кубитов, однако в ряде случаев такие кубиты сразу же «перегорали» при комнатной температуре. Задачей ученых было выяснить, при какой модификации материала работа была бы стабильной.

«Для создания кубита на дефекте в кристаллической решетке дефект возбуждают с использованием лазера, и при испускании фотона такой дефект начинает люминесцировать, то есть светиться. При этом ранее было доказано, что при люминесценции карбида кремния наблюдаются шесть пиков, их называют от PL1 до PL6 соответственно. При комнатной температуре такие кубиты светились только на пиках PL5 и PL6. Мы обнаружили, что это происходит благодаря специфическому дефекту, когда вблизи двух вакантных позиций в материале появляется один “смещенный” слой атомов, называемый дефектом упаковки», – комментирует профессор Игорь Абрикосов, д.ф.-м.н., научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», заведующий отделом теоретической физики Института физики, химии и биологии Линчёпингского университета.

Теперь, когда известно, какая именно структурная особенность заставит кубиты из карбида кремния работать при комнатной температуре, ее можно создавать искусственным путем – например, осаждая слои материала из газовой фазы. Разработка открывает новые перспективы в создании квантового компьютера, который бы стабильно работал при комнатной температуре; кроме того, по словам ученых, уже сейчас ее можно применять при создании сверхточных магнитометров, сенсоров для изучения живых клеток и новых технологий квантового интернета.

Пресс-служба НИТУ «МИСиС»