Вчені приборкали світ у алмазах для прориву в квантових технологіях

Вчені досягли значного прориву в розробці методики уловлювання фотонів від дефектів у алмазах. Представлений метод реєструє переважну більшість фотонів, що випромінюються алмазними NV-центрами, причому при кімнатній температурі, що відкриває шлях до нового покоління квантових датчиків і засобів абсолютно безпечного квантового зв'язку.

Джерело зображення: ІІ-генерація Grok 3/3DNews

Розробку представили вчені з Єврейського університету в Єрусалимі (Hebrew University of Jerusalem) у співпраці з Університетом Гумбольдта (Humboldt University) в Берліні. Вони працювали з так званими NV-центрами (центрами «азот-вакансія»). Це дефекти в кристалічній решітці алмазу, які можуть виконувати роль кубітів або квантових датчиків. Ці центри легко приводяться в стан суперпозиції та демонструють ефект заплутаності під впливом або світла, або мікрохвильового випромінювання. Таким чином, NV-центри можуть використовуватися як для квантових обчислень, так і для надчутливих датчиків.

При впливі на такі дефекти в алмазах зазвичай значна частина світла розсіювалася, що знижувало ефективність систем. Новий підхід, описаний у журналі APL Quantum, використовує гібридні наноантени у формі мішені для тирів (bullseye), що складаються з шарів металу та діелектриків, в які вбудовуються наноалмази з NV-центрами. Це дозволяє направляти до 80 % фотонів у потрібному напрямку при кімнатній температурі, що в рази перевершує попередні методи.

Технічна суть інновації полягає в інтеграції NV-центрів у чіпи з одночасним підсиленням і фокусуванням випромінювання. Наноантени діють як оптичні лінзи на наноуровні, мінімізуючи втрати світла та підвищуючи яскравість сигналу. Дослідники протестували лабораторну систему, підтвердивши її працездатність у простих чіпах. Такий дизайн не вимагає кріогенного охолодження, що спрощує виробництво та інтеграцію з існуючими електронними системами, роблячи квантові технології більш доступними для масового застосування.

Потенційні області застосування нової технології обширні. У квантовій зв'язку вона дозволить створювати безпечні канали передачі даних з використанням заплутаних фотонів. Надчутливі сенсори на основі NV-центрів знайдуть застосування в медицині для візуалізації на клітинному рівні, у навігації для точного позиціонування без GPS і в матеріалознавстві для аналізу властивостей речовин. Крім того, це прискорить розвиток квантових комп'ютерів, роблячи їх компактнішими (буквально на чіпах) і швидшими, з можливістю масштабування.

Професор Карміель Рапапорт (Carmiel Rapaport) з Єврейського університету підкреслив: «Це наближає нас до практичних квантових пристроїв». Доктор Йонатан Любецкі (Yonatan Lubotzky) додав, що його вражає простота орієнтованого на чіпи дизайну та робота при кімнатній температурі, що полегшує інтеграцію в реальні системи. Це відкриття не тільки просуває фундаментальну науку, але й відкриває комерційні перспективи, потенційно вносячи революцію в галузі, що залежать від квантових розробок.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки