Совершенное несовершенство: алмазы и квантовая физика

Его кристаллическая решетка была нарушена редкими включениями атомов азота, рядом с которыми на месте одного атома углерода была пустота. Каждая такая «дыра» могла оказаться ловушкой для электрона. Сами по себе азотные включения — не редкость, однако при нужном их количестве пойманные в «дыру» электроны могут служить хранителями информации для квантовых вычислений, предположили ученые. И, в отличие от большинства прочих кандидатов на роль подобных устройств, такая система сможет работать при комнатной температуре. Врахтруп разделил алмаз на две части, одну из которых отправил профессору Михаилу Лукину в Гарвардский университет. К концу 2006 года обе группы исследователей независимо друг от друга подтвердили: русский алмаз соответствует ожиданиям. Ранее физики не видели ничего подобного.

Впоследствии алмаз пришлось разделить на множество совсем мелких кусочков: его квантовыми свойствами заинтересовались ученые со всего мира (сейчас в данной области работает около 75 научных групп). Несмотря на усердные поиски, обнаружить другой природный образец с аналогичной структурой включений так и не удалось. Тогда исследователи сосредоточились на попытках создать искусственный. Такой же, только лучше.

Новые и новые исследовательские группы, подключающиеся к работе, привносили свежие идеи по поводу возможных областей применения «чудо-алмазов». Помимо упомянутых квантовых вычислений, дефекты кристаллической решетки можно использовать для измерения параметров магнитных полей со сверхвысокой точностью. С помощью таких сенсоров можно было бы выполнить измерения на клеточном уровне, визуализировав такие процессы, как передача электрического сигнала в нейроне или реакция отдельной клетки на лекарственный препарат.

Ценители алмазов знают толк во включениях: например, «чужеродные» атомы азота, вторгшиеся в углеродную решетку, придают камням желтоватый оттенок, а бора — голубой. Физикам в большей степени интересен спин электронов, оказавшихся в сопутствующих включениям «дырах». Проекция спина на выбранное направления может быть положительной, отрицательной или находиться в суперпозиции этих состояний — быть и положительной, и отрицательной одновременно. Из такого электрона получается замечательный кубит — элементарная ячейка для хранения квантовой информации, которая в отличие от классического бита, способного принимать лишь пару значений (0 или 1), позволяет формировать более информативные квантовые регистры данных.

Кристаллическая решетка алмаза защищает хрупкое квантовое состояние кубита от влияния извне, но при этом его можно изменить с помощью излучения в микроволновом диапазоне и прочитать с помощью лазеров. Природные алмазы, как правило, содержат один «чужеродный» атом на тысячу или около того — слишком частые включения, чтобы использовать их для хранения квантовой информации: дефекты кристаллической решетки расположены так близко друг к другу, что их взаимодействие исключает возможность долгого сохранения заданного состояния электрона. Русский «чудо-алмаз» содержит один атом азота на миллиард атомов углерода, что и делает его уникальным.

В 2005 году Врахтруп показал, что электроны в дефектах кристаллической решетки этого алмаза способны сохранять свое квантовое состояние на протяжении примерно миллисекунды. Все прочие системы, демонстрирующие аналогичные результаты, работали в условиях глубокого вакуума и при температурах, близких к абсолютному нулю. Позже, в 2012 году, Лукин смог продлить «время жизни» заключенного в алмазе кубита до 1 секунды, что сравнимо с современными показателями для систем, использующих захваченные в электромагнитном поле атомы, и в 10 000 превосходит возможности сверхпроводниковых схем.

Производители синтетических алмазов попытались добиться аналогичного уровня включений. В отличие от большинства ювелирных и технических алмазов, получаемых при воздействии на графит высокого давления и температуры, «квантовые» камни были созданы методом химического парофазного осаждения. Атомы углерода из плазмы, полученной при нагревании газов, слой за слоем осаждались на подложке.

Оборудованием для создания алмазов владеет несколько лабораторий по всему миру, однако центром индустрии по производству «квантовых» алмазов стала британская компания Element Six (бывшая De Beers Industrial Diamond), которая занимается синтезом алмазов уже более полувека. Сейчас компания производит несколько сотен камней, пригодных для исследований в области квантовой физики, ежегодно. Их общее количество скоро достигнет полутора тысяч.

По заказу исследователей в лаборатории Element Six могут создать алмаз с выбранным типом дефектов кристаллической решетки, встречающихся не чаще, чем один раз на миллиард атомов углерода. Ученые могут контролировать количество различных изотопов углерода в структуре алмаза и распределение дефектов кристаллической решетки, которая стоится атом за атомом, по её слоям. Исследовательские группы получают алмазы, изготовление каждого из которых обходится примерно в тысячу долларов, абсолютно бесплатно. Element Six рассчитывает, что разработки ученых приведут к появлению новых типов использующих алмазы устройств — а значит, и новых рынков сбыта.

Но объединить кубиты и заставить их работать сообща, выполняя квантовые вычисления — непростая задача. Подход Врахтрупа заключается в размещении дефектов кристаллической решетки алмаза, формирующих квантовый регистр данных, на расстоянии всего 20 нм друг от друга, чтобы квантовые состояния «обитающих» в них электронов можно было запутать между собой. Изготовителям алмазов пришлось изрядно потрудиться над такой непростой задачей. К тому же близкое расположение электронов, позволяющее добиться их квантовой запутанности, требует тонкого контроля квантового состояния частиц, взаимодействующих друг с другом. По мере увеличения масштабов системы эти проблемы растут, как снежный ком.

Альтернативный подход — использовать фотоны в качестве посредников, объединяющих удаленные друг от друга кубиты. Эта схема, предложенная Рональдом Хенсоном из Дельфтского технологического университета (Нидерланды), может оказаться полезной при передаче информации на большие расстояния. Но для её практической реализации необходимо, чтобы запутанность создавалась несколько раз в секунду (это ограничение налагается временим жизни кубита). Между тем, команде Хенсона удалось добиться возникновения квантовой запутанности лишь раз в 10 минут. Физики рассчитывают, что использование зеркал и пустот в структуре алмаза, повышающих вероятность того, что фотон провзаимодействует с электроном, позволит добиться нужной частоты возникновения квантовой запутанности.

В настоящий момент самые сложные квантовые системы (независимо разработанные двумя группами исследователей) насчитывают по четыре запутанных кубита.

Пока физики бьются над создание квантовых вычислительных систем, в других областях применения «квантовых» алмазов прогресс налицо. Влияние ближайшего окружения на квантовые свойства электронов в дефектах кристаллической решетки может быть направлено во благо, заметили ученые. Взаимосвязь спина частицы с её магнитным моментом позволяет использовать электроны в качестве детекторов магнитного поля.

Подобным образом работают аппараты МРТ, которые используют изменение спина атомов водорода под действием магнитного поля, чтобы заглянуть внутрь человеческого организма. Однако для получения сигнала им необходимы миллионы исследуемых атомов. Точность томографов, используемых для других видов исследований, может быть повышена путем охлаждения образцов до очень низких температур. Однако электроны в дефектах кристаллической решетки могут реагировать на магнитное поле, создаваемое единственным атомом при комнатной температуре. Это позволило измерить спин одной-единственной молекулы и наблюдать электромагнитные изменения, происходящие внутри живой клетки. Команда Лукина также смогла измерить температуру внутри живой клетки с точностью до сотых долей градуса, отмечая реакцию чувствительного электрона на расширение и сжатие кристаллической решетки при нагревании и охлаждении.

Однако изготовление алмазов, которые могли бы бать использованы в качестве подобных сенсоров — настоящая головная боль. Образцы, поставляемые Element Six и другими производителями, невозможно отделить от подложки, а алмазы, полученные под действием высокого давления и температуры, содержат слишком большое количество примесей.

Решение этой проблемы предложила американская компания Diamond Nanotechnologies: на алмаз можно нанести «маску» — наноразмерные точки из сплава золота и палладия, а затем вытравить незащищенные участки поверхности. В результате образуются крошечные алмазные «колонны», металл с верхушек которых можно удалить. Азотные включения в таких «колоннах» достаточно удалены друг от друга, чтобы обеспечить высокую чувствительность созданных на основе «наноалмаза» сенсоров.

Чтобы раскрыть все многообещающие свойства дефектов кристаллической решетки алмазов, исследователям потребуется разработать методы высокоточного легирования образцов (внедрение примесей в строго определенном месте), производства сложных алмазных наноструктур и тонких пленок.

Выполнить подобные требования при работе с другими материалами (например, кремнием) — рутинная задача. Ученые задаются вопросом, можно ли заставить эти материалы работать, как «квантовые» алмазы, многие свойства которых, казалось бы, невозможно воспроизвести. В 2011 году исследователи продемонстрировали, что дефекты кристаллической решетки карбида кремния (относительно дешевого полупроводника, производимого в промышленных масштабах) могут стать «ловушками» для электронов, пригодных для использования в качестве кубитов. Увы, при комнатных температурах время жизни «кремниевого» кубита в 20 раз меньше, чем у «алмазного» — а это в большинстве случаев слишком мало для практического применения.

Теоретические изыскания позволяют физикам предсказать, какие материалы могут послужить заменой «квантовым» алмазам, однако для большинства исследовательских групп синтетические алмазы, по качеству значительно превосходящие своих природных собратьев, остаются основным объектом исследований. Фрагменты русского алмаза, оказавшегося у истоков данного направления исследований, до сих пор хранятся в лабораториях. И, по признанию Врахтрупа, это все еще один из лучших образцов.

По материалам Nature News