Несмотря на масштабные исследования в области квантовых технологий уже на протяжении 30 лет материальная база, на основе которой могут быть реализованы процессоры или другие элементы квантовых приложений с использованием принципиально новых вычислительных принципов, по-прежнему остается на этапе тестовых разработок и апробации. В новом исследовании ученые Института физики Казанского федерального университета изучили азотно-вакансионные центры, в которых в качестве твердотельной матрицы, удерживающей данные центры окраски, – кристалл карбида кремния (SiC) политипа 6H. Результаты опубликованы в Journal of Physical Chemistry C.

Исследование было проведено в рамках госзадания в молодежной лаборатории «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций», открытой в 2024 году в рамках национального проекта «Наука и университеты».

В научный коллектив вошли директор Института физики КФУ Марат Гафуров, научный сотрудник НИЛ «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций» Фадис Мурзаханов, доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Георгий Мамин, доцент кафедры общей физики Ирина Грачева, студентки института Екатерина Дмитриева и Юлия Ермакова.

«Среди лидеров выделяются кубиты на сверхпроводниках, ультрахолодных атомах или фотонах с определенной поляризацией. В фокусе нашего внимания сосредоточены не менее привлекательные системы в виде точечных дефектов с уникальными свойствами, локализованные в полупроводниковых кристаллах. Таковыми в нашей лаборатории являются азотно-вакансионные центры, известные на примере NV-центров в алмазе, только в качестве твердотельной матрицы, удерживающей данные центры окраски, выступает кристалл карбида кремния (SiC) политипа 6H, – ввел в курс дела один из авторов исследования Ф. Мурзаханов. – В отличие от алмаза, доступного лишь в виде мелких кристаллов, карбид кремния – это высокотехнологичный промышленный полупроводник, для которого освоено выращивание восьми дюймовых 200-миллиметровых подложек. Это обстоятельство критически важно для создания масштабируемых квантовых устройств: крупные и высококачественные пластины позволяют применять стандартные методы микросистемной и полупроводниковой технологии, включая литографию, травление и ионную имплантацию. Такой подход открывает путь к массовому производству квантовых чипов с высоким уровнем интеграции, надежностью и повторяемостью параметров. Кроме того, существующая инфраструктура SiC-технологий, уже широко применяемая в силовой электронике, может быть адаптирована под задачи квантовых вычислений и сенсоров, существенно ускоряя переход от лабораторных образцов к практическим устройствам».

Кристалл 6H-SiC, содержащий азотно-центрированные спиновые дефекты, является относительно новой малоизученной средой. Так, одной из задач данного исследования стало установление временных (релаксационных) характеристик спиновых дефектов, выступающих в роли электронных кубитов, определение потенциальной длительности квантовых операций. Также необходимо было изучить связь между оптическими квантами и спиновой намагниченностью, а также продемонстрировать возможность внедрения квантовых алгоритмов.

Эксперименты были проведены на модифицированном спектрометре электронного парамагнитного резонанса с импульсным программатором для возможности дополнительного воздействия лазерным источником излучения.

«Важной особенностью является тесное сотрудничество с лабораторией электроники полупроводников с большой энергией связи Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН – одним из пионеров в области синтеза карбида кремния и признанным мировым экспертом в этой сфере. Благодаря этому наши работы опираются на прочную ресурсную и интеллектуальную базу российской научной школы», – отметил Мурзаханов.

С помощью импульсных экспериментальных методик учеными КФУ были получены высокие значения коэффициента преобразования оптического излучения в спиновую намагниченность (k = 0.999, т.е. из 1000 оптических квантов только один может быть «утерян»). С практической точки зрения это указывает на то, что такие системы можно использовать в качестве связующего элемента с высокой эффективностью сразу двух кубитов разной природы – спинового центра и фотона (или «летающего» кубита).

«Квантовая информация в виде оптического кванта, передающаяся по оптоволокну на длинные расстояния, может быть далее передана или преобразована в другое физическое состояние хранения информации – намагниченность спинов. Для сравнения: хорошо изученные и известные NV-центры в алмазе обладают максимальной эффективностью всего 80 процентов. При этом NV-центры в кристалле карбида кремния политипа 6H имеют оптические переходы в ближней инфракрасной области (1100–1300 нанометров), что совпадает с телекоммуникационным O-диапазоном и делает их подходящими для квантовых коммуникаций на большие расстояния через оптоволоконные способы передачи данных», – пояснила Ю. Ермакова.

Кроме этого, авторами было показано, что изучаемые спиновые дефекты обладают крайне длинными временами «жизни», достигая секундного диапазона, то есть кубиты могут хранить квантовую информацию в виде спиновой намагниченности достаточно долго. Данные характеристики позволяют проводить различные манипуляции со спиновыми дефектами в активной фазе и реализовывать расчетные алгоритмы.

К слову, в настоящее время проблема масштабирования квантовых технологий на основе уже развитой полупроводниковой базы признана лидирующими мировыми научно-техническими сообществами. Речь идет и о развитии крупных проектов, направленных на использование карбида кремния. Разрабатываются спиновые кубиты и интеграция дефектов в фотонные чипы, где акцент – на технологической совместимости с промышленными процессами. Таким образом, исследования NV-дефектов в карбиде кремния, проводимые в КФУ, не только находятся на переднем крае науки, но и во многом формируют ее перспективное направление.

«Квантовые технологии на данный момент имеют три основных направления – квантовые вычисления, коммуникации и сенсорика. В данном случае результаты будут полезны при разработке элементов преобразования квантовой информации между различными средами с эффективным переносом или преобразованием данных: в квантовых коммуникациях, сетях и спин-фотонных интерфейсах», – заключила участница исследования Е. Дмитриева.

При частичной или полной перепечатке материала, а также цитировании необходимо ссылаться на пресс-службу КФУ.