Исследователи Казанского федерального университета (КФУ) предложили новый подход к созданию масштабируемых квантовых устройств на основе карбида кремния, который может стать основой для разработки квантовых чипов с высоким уровнем интеграции и надежности.
Несмотря на масштабные исследования в области квантовых технологий, проведенные за последние десятилетия, 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.
«Среди лидеров выделяются кубиты на сверхпроводниках, ультрахолодных атомах или фотонах с определенной поляризацией. В фокусе нашего внимания находятся не менее привлекательные системы в виде точечных дефектов с уникальными свойствами, локализованные в полупроводниковых кристаллах», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник молодежной НИЛ «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций» Фадис Мурзаханов.
Ученые Института физики КФУ исследовали азот-вакансионные центры, известные на примере NV-центров в алмазе, в которых в качестве твердотельной матрицы, удерживающей данные центры окраски, вместо алмаза выступал кристалл карбида кремния (SiC) политипа 6H.
«В отличие от алмаза, доступного лишь в виде мелких кристаллов, карбид кремния — это высокотехнологичный промышленный полупроводник, для которого освоено выращивание восьмидюймовых 200-мм 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», — отметил ученый.
Кристалл 6H-SiC, содержащий азот-центрированные спиновые дефекты, является относительно новой малоизученной средой. Так, одной из задач исследования стало установление временных (релаксационных) характеристик спиновых дефектов, выступающих в роли электронных кубитов, определение потенциальной длительности квантовых операций, изучение связей между оптическими квантами и спиновой намагниченностью, а также демонстрация возможности внедрения квантовых алгоритмов.
Эксперименты проводили на модифицированном спектрометре электронного парамагнитного резонанса с импульсным программатором для возможности дополнительного воздействия лазерным источником излучения. С помощью импульсных экспериментальных методик учеными КФУ были получены высокие значения коэффициента преобразования оптического излучения в спиновую намагниченность. По словам ученых, 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).
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.
Исследование проведено в рамках госзадания, в молодежной лаборатории «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций», открытой в 2024 году при поддержке Минобрнауки России в рамках национального проекта «Наука и университеты», а также в сотрудничестве с Физико-техническим институтом им. А. Ф. Иоффе РАН — одним из мировых лидеров в области синтеза карбида кремния.
Пресс-релиз подготовлен на основании материала, предоставленного организацией. Информационное агентство AK&M не несет ответственности за содержание пресс-релиза, правовые и иные последствия его опубликования.
