Алмазная проволока осветила путь к компьютеру будущего

Алмазы известны своей красотой и необычным взаимодействием со светом, придающим бриллиантам неповторимую игру лучей. Дефект такого камня для ювелиров – огорчение, а физикам – радость. Новое исследование показало, что несовершенства этого кристалла можно с успехом использовать для тонкого управления одиночными фотонами.

Впервые в лабораторных условиях был разработан и применён на практике метод получения цельных нанопроводков из алмаза. Ранее исследователям удавалось только частично внедрять крошечные фрагменты минерала в структуру такого малого масштаба.

Впрочем, ключевой момент нынешнего достижения заключён не в масштабе объектов. Как наглядно показала команда специалистов во главе с учёными Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard SEAS), алмазная нанопроволока может служить источником единичных фотонов, выдаваемых "по требованию".

В ходе эксперимента с NV-дефектом можно изменять квантовое состояние частиц внутри камня. Предшествовавшие опыты других учёных публиковались в том числе, в Physical Review Letters и Nature Nanotechnologies (иллюстрация с сайта physics.mq.edu.au).

Группа Марко Лонкара (Marko Loncar) нашла подтверждение ранее рассчитанной на бумаге гипотезе в ходе своей программы по изучению нелинейных свойств фотонных кристаллов. Новая разработка совмещает в себе сразу две заявленные на сайте проекта цели: создание нанофотонного устройства, способного обрабатывать квантовую информацию, и высокочастотного генератора в рамках оптико-механической системы.

По словам учёных, новый способ радикального улучшения производительности источника отдельных фотонов базируется на природном светоизлучающем дефекте камня, называемом азотной вакансией (nitrogen vacancy — NV) или просто центром цвета алмаза. Наиболее хорошо изучена его связь с фотолюминесценцией камня, интенсивность и длина волны которой может быть изменена направленным магнитным или электрическим полем, микроволновым излучением или светом.

То, что затем происходит с электронами в области NV-дефекта, объясняется учёными с точки зрения изменения спина и сопутствующих ему явлений, таких как квантовая запутанность, спин-орбитальное взаимодействие и осцилляция Раби.

Условно говоря, центр цвета "обменивается информацией" с внешним источником лучей. Но эффективный приём фотонов в обычном камне затруднён из-за того, что чаще всего центры цвета находятся глубоко внутри них. "Пойманные в ловушку" атомы взаимодействуют с остальной кристаллической решёткой, в результате чего изменяется их электронное состояние (спин).

Большая система из таких наноустройств, которые смогут работать как независимо, так и вместе, была бы солидным шагом к вычислительным квантовым сетям (иллюстрация Jay Penni).

Если мы имеем дело с ювелирными изделиями, то видимым результатом будет красивая игра прихотливо преломлённых световых лучей. Но гарвардских учёных интересует вовсе не красота. Они нацелены на создание устройств, использующих квантово-механические эффекты, например квантовых компьютеров.

Дело в том, что спином электрона в отдельном центре цвета можно манипулировать при комнатной температуре. Каждый NV-дефект в этом случае превращается в кубит — наименьший элемент для хранения информации в таком компьютере.

Система на базе алмазных нанопроводков (на рисунке выделен центр цвета) должна быть лишена некоторых недостатков, присущих другим устройствам подобного рода, в основе которых лежат флуоресцентные красители, квантовые точки и нанотрубки – так, алмазные нанопроводки могут быть получены в больших количествах и без проблем интегрированы в различные наноустройства (иллюстрация Harvard SEAS).

"Разработанное нами устройство на основе алмазных нанопроводков фактически работает как крохотная антенна, генерирующая сильный поток отдельных фотонов, регистрируемый микроскопом, – говорит Лонкар, на днях получивший на свои изыскания грант в $50 тысяч. — Устойчивая связь относящегося к наномиру центра цвета с макрообъектами (световодами и линзами), и есть недостающее звено в создании квантового компьютера".

Однофотонная антенна, работающая как на приём, так и на передачу, позволит воссоздать это "недостающее звено", естественно и эффективно связав детектор с индивидуальным центром цвета алмаза, увеличивая его яркость и чувствительность. Создание опытного образца такого устройства можно считать одним из ключевых шагов на пути достижения новых, быстрых и безопасных технологических средств вычисления и связи.

Для создания опытного образца (слева) специалисты использовали те же физические процессы, что в природе придают оттенки цветным алмазам. Например, голубой алмаз сигнализирует о примеси атомов бора, а жёлтый – азота. На микроснимке (справа) обозначен хорошо различимый NY-дефект (фото Marco Loncar et al./Nature).

Больше технических подробностей об эксперименте можно узнать в пресс-релизе, а также статье гарвардских специалистов, опубликованной в Nature, её препринт доступен как PDF-документ.

Обычно ювелиры используют дефекты камня, производящие значительное количество отражённого света. Опытный образец гарвардских учёных же выдаёт на стимуляцию зелёным светом строго один "красный" фотон зараз (иллюстрация Nature).

Действующий образец устройства сейчас представляет собой массив из нескольких тысяч алмазных нанопроводков. Каждый из них насчитывает всего несколько микрометров в длину и примерно 200 нанометров в диаметре.

Один нюанс пока ограничивает исследователей – в природных алмазах NV-дефекты распределены неравномерно, что затрудняет использование нанопроводков как антенн. В ближайшем будущем учёные планируют путём ионной бомбардировки создать равномерное распределение центров цвета в каждом кристалле.