JAV mokslininkai silicyje identifikavo naujo tipo stabilų kubitą – vadinamąjį CN centrą. Šis atradimas gali atverti kelią lengvai plečiamo masto, siliciu paremtiems kvantiniams procesoriams ir fotoniniams lustams.
Atradimą padarė Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje tyrėjų komanda, dirbanti pagal Brukheiveno nacionalinės laboratorijos bendro projektavimo centrą kvantiniam pranašumui (C2QA).
CN centras – tai anglies ir azoto suformuotas defektas, įterptas tiesiai į silicį. Jis laikomas reikšmingu žingsniu link masiškai gaminamų, telekomunikacijoms pritaikytų kvantinių įrenginių, kuriuos būtų galima kurti naudojant tas pačias medžiagas ir gamybos priemones kaip ir šiandieniniams kompiuterių lustams.
Projekto vadovas, podoktorantūros stažuotojas Kevinas Nangoi iš „Van de Walle“ grupės pabrėžė, kad, kitaip nei T centras, šis defektas neturi vandenilio, todėl turėtų būti atsparesnis ir lengviau pritaikomas realiuose įrenginiuose.
Naujas silicio kubitas
Klasikiniai kompiuteriai duomenims saugoti ir apdoroti naudoja bitus (0 ir 1). Kvantiniai kompiuteriai tą patį daro naudodami kvantinius bitus – kubitus, kurie gali būti superpozicijos būsenoje. Kitaip tariant, kubitas gali žymėti 0 ir 1 ne tik atskirai, bet ir būti abiejų reikšmių būsenoje tuo pačiu metu.
Kai kartu veikia keli kubitai, jų bendra būsena tampa gerokai sudėtingesnė. Kvantiniai įrenginiai išnaudoja tai, kad kubitai gali egzistuoti keliose būsenose vienu metu, todėl gali lygiagrečiai saugoti ir apdoroti kur kas daugiau informacijos.
Kristaluose aptinkami defektai, tokie kaip azoto–vakansijos (NV) centras deimante ar T centras silicyje (sudarytas iš anglies ir vandenilio atomų), gali veikti kaip fiziniai kubitų „šeimininkai“. Tokie centrai suteikia elektronines būsenas, kurios gali sąveikauti su šviesa.
Vis dėlto vandenilio polinkis difuzuoti ir persitvarkyti mikroschemų gamybos metu kelia rimtą problemą – tampa sunku užtikrinti pakartojamumą ir tikslią gamybos kontrolę. Dėl šios priežasties T centro, kaip technologinės platformos, ilgalaikės komercinės perspektyvos yra ribotos.
Siekdama išspręsti šią problemą, komanda vandenilį pakeitė azotu ir nustatė defektą, kuris išlaiko svarbiausias T centro savybes: šviesos spinduliavimą telekomunikaciniame bangos ilgių ruože ir ilgai išliekančias kvantines būsenas.
Skirtingai nei vandeniliu grįstas variantas, naujasis defektas leidžia išvengti gamybinių sunkumų, susijusių su dideliu vandenilio judrumu silicyje. Būtent šis stabilesnis defektas ir pavadintas CN centru.
T centro trūkumų pašalinimas
Mokslininkai pasitelkė pažangias pirmųjų principų kompiuterines simuliacijas, kad atominiu lygiu sumodeliuotų naujojo defekto struktūrą. Didesnis CN centro stabilumas reiškia, kad jį būtų galima integruoti į esamas silicio fotonikos platformas, nereikalaujant specialių papildomų gamybos etapų.
JAV karinių jūrų tyrimų laboratorijos podoktorantūros stažuotojas Markas Turiansky teigė, kad gauti rezultatai rodo: CN centras atkuria pagrindines elektronines ir optines savybes, dėl kurių T centras laikomas patraukliu kvantinėms taikomosioms technologijoms. Pasak jo, ypač svarbu tai, kad šis centras yra struktūriškai stabilus ir skleidžia šviesą telekomunikacijų bangos ilgių diapazone.
Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje profesorius Chrisas Van de Walle pabrėžė, jog kvantinio šviesos šaltinio silicyje, veikiančio telekomunikacijų dažnių ruože ir nenaudojančio vandenilio, atradimas yra reikšmingas žingsnis link lengvai plečiamo masto kvantinių technologijų.
Jeigu eksperimentai patvirtins teorinius skaičiavimus, CN centras gali tapti praktišku nauju kvantinių įrenginių „statybiniu bloku“. Tai galėtų paspartinti pažangių kvantinių technologijų kūrimą naudojant tą patį silicį, kuris jau dabar yra pagrindinė šiuolaikinės elektronikos medžiaga.
