JAV mokslininkai identifikavo naujo tipo tvirtą kubitą silicyje, pavadintą CN centru. Šis atradimas gali atverti kelią kuriant lengvai didinamo masto, siliciu paremtus kvantinius procesorius ir fotoninius lustus.
Atradimą padarė Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje (angl. „University of California, Santa Barbara“) tyrėjų komanda, dirbanti pagal Brukheiveno nacionalinės laboratorijos bendro projektavimo centrą kvantiniam pranašumui (angl. „Co-design Center for Quantum Advantage“, C2QA).
CN centras – tai anglies ir azoto defektas, įterptas tiesiai į silicį. Jis žymi svarbų žingsnį link masiškai gaminamų, telekomunikacijoms paruoštų kvantinių įrenginių, kuriuos būtų galima kurti naudojant tas pačias medžiagas ir gamybos priemones kaip ir šiuolaikiniams kompiuterių lustams.
„Skirtingai nei T centras, šis defektas neturi vandenilio, todėl bus atsparesnis ir lengviau pritaikomas realiuose įrenginiuose“, – pabrėžė projekto vadovas, podoktorantūros stažuotojas Kevinas Nangoi iš „Van de Walle“ grupės.
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. Kubitas yra tarsi įprastas bitas, galintis žymėti 0 ir 1, tačiau jis gali būti abiejų reikšmių būsenoje tuo pačiu metu.
Kai kartu veikia keli kubitai, jų bendros būsenos tampa daug sudėtingesnės. Kvantiniai įrenginiai geba išnaudoti tai, kad kubitai gali egzistuoti keliose būsenose vienu metu, todėl jie gali lygiagrečiai saugoti ir apdoroti gerokai daugiau informacijos.
Kristaluose aptinkami defektai, tokie kaip azoto-vakansijos (NV) centras deimante ar T centras silicyje (sudarytas iš anglies ir vandenilio atomų), veikia kaip fiziniai kubitų „šeimininkai“, suteikiantys jiems elektronines būsenas, galinčias sąveikauti su šviesa.
Tačiau vandenilio polinkis difuzuoti ir persitvarkyti mikroschemų gamybos metu kelia rimtą problemą norint užtikrinti pakartojamumą ir gamybos kontrolę. Dėl to T centro, kaip technologinės platformos, ilgalaikės komercinės perspektyvos yra ribotos.
Spręsdama šią problemą, komanda pakeitė vandenilį 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 išvengia gamybinių problemų, susijusių su dideliu vandenilio judrumu silicyje. Šis stabilesnis defektas ir gavo CN centro pavadinimą.
T centro trūkumų pašalinimas
Mokslininkai naudojo pažangias pirmųjų principų kompiuterinės analizės 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.
„Mūsų rezultatai rodo, kad CN centras atkuria pagrindines elektronines ir optines savybes, dėl kurių T centras yra patrauklus kvantinėms taikomosioms technologijoms“, – teigė JAV karinių jūrų tyrimų laboratorijos podoktorantūros stažuotojas Markas Turiansky. – „Visų pirma, šis centras yra struktūriškai stabilus ir skleidžia šviesą telekomunikacijų bangos ilgių diapazone.“
Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje profesoriaus Chriso Van de Walle teigimu, vandenilio nenaudojančio kvantinio šviesos šaltinio silicyje, veikiančio telekomunikacijų dažnių ruože, atradimas yra svarbus žingsnis link mastelio atžvilgiu lengvai didinamų kvantinių technologijų.
Jei eksperimentai patvirtins teorinius skaičiavimus, CN centras gali tapti praktišku nauju kvantinių įrenginių statybiniu bloku, spartinančiu pažangių kvantinių technologijų kūrimą, naudojant tą patį silicį, kuris jau dabar yra pagrindinė šiuolaikinės elektronikos medžiaga.
