Группа исследователей из Университета штата Огайо и Чикагского университета обосновала возможность использования дислокаций — линейных несовершенств в кристаллической решетке алмаза — для разработки масштабируемых квантовых архитектур. Согласно результатам изысканий, данные дефекты способны выступать в роли «квантовых магистралей», обеспечивающих эффективную связь между кубитами.
Применяя передовые методы первопринципного моделирования, ученые проанализировали поведение азотно-замещенных вакансий (NV-центров) в алмазе, которые признаны одной из наиболее перспективных платформ для создания твердотельных квантовых систем. Анализ показал, что NV-центры обладают способностью мигрировать к областям дислокаций, сохраняя при этом свои ключевые квантовые характеристики, а в ряде случаев даже демонстрируя их качественное улучшение.
«Поскольку дислокации формируют квазиодномерные структуры, пронизывающие кристалл, они становятся естественным фундаментом для организации кубитов в упорядоченные массивы», — подчеркнул соавтор исследования Кунжи Чжан, представляющий Чикагский университет.
Благодаря исключительным оптическим и спиновым свойствам, NV-центры открывают широкие горизонты для развития квантовых вычислений и создания прецизионных сенсорных систем.
В ходе работы было установлено, что многие NV-центры вблизи дислокаций сохраняют стабильные зарядовые и спиновые состояния. Это обеспечивает сохранение полноценного оптического цикла, что критически важно для процессов инициализации и считывания информации. Примечательно, что определенные конфигурации дефектов вблизи дислокаций демонстрируют время квантовой когерентности, существенно превышающее показатели аналогичных центров в бездефектном алмазе.
Этот феномен объясняется нарушением симметрии в зоне дислокации, что ведет к возникновению специфических состояний, известных как «часовые переходы», защищающих кубит от внешнего магнитного шума. Помимо теоретического обоснования стабильности, исследование предоставило детальные прогнозы оптических и магнитно-резонансных сигнатур, которые упростят экспериментальное обнаружение оптимальных конфигураций NV-центров.
«Несмотря на то что не каждая позиция дефекта пригодна для реализации квантовых операций, наши расчеты подтверждают: значительная часть конфигураций полностью отвечает требованиям, предъявляемым к функциональным кубитам», — отметил соавтор работы Юй Цзинь, научный сотрудник Института Флэтайрон.
Результаты исследования закладывают основу для принципиально нового подхода к проектированию квантовых устройств. Дислокации теперь рассматриваются не как изъяны, подлежащие устранению, а как функциональные элементы — «квантовые путепроводы», позволяющие интегрировать цепочки взаимодействующих кубитов. Данная стратегия открывает путь к созданию масштабируемых квантовых систем на базе алмаза и других материалов, предлагая перспективный вектор развития твердотельных технологий будущего.
Источник: iXBT
