Ученые из Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) в кооперации с исследователями из Томского государственного университета, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН впервые в мире продемонстрировали алмазный лазер на NV-центрах при оптической накачке. Полученный результат имеет широкие перспективы для создания квантовых сенсоров и компьютеров, для развития квантовых вычислений и коммуникаций. Статья об этом была опубликована в журнале Nature Communications.
Для создания прибора необходим высококачественный синтетический алмаз. Драгоценный камень природного происхождения не подойдет: от такого алмаза нельзя добиться повторяемости свойств, необходимой для стабильной работы лазера. Поэтому нужен минерал искусственного происхождения, который подвергся радиационно-термической обработке, после чего в его кристаллической структуре образовался ряд центров окраски, стойких к лазерному излучению.
Первостепенное значение для квантовых технологий имеют так называемые NV-центры (один из центров окраски в алмазе). Как поясняет старший научный сотрудник группы углеродной электроники и фотоники ИСЭ СО РАН, доцент кафедры квантовой электроники и фотоники ТГУ кандидат физико-математических наук Евгений Игоревич Липатов, это такие дефекты структуры в алмазе, которые состоят из одного атома азота (N) и соседнего вакантного, не занятого атомом углерода узла решетки (V). Он-то и сможет в будущем стать кубитом — аналогом бита для квантового компьютера, с помощью которого будут выполняться алгоритмы квантовых вычислений.
Попытки добиться лазерного излучения от центров окраски в алмазах безуспешно велись несколько десятков лет, поэтому полученный результат стал настоящим прорывом. Усиленное нетепловое свечение вещества и генерация лазерного излучения достигнуты в синтетических алмазных образцах, которые содержат до 10 NV-центров и до 300 атомов азота на один миллион атомов углерода. Импульсное свечение алмазных кристаллов наносекундной длительности наблюдалось в красной области спектра при накачке лазерным излучением в зеленой и оранжевой областях спектра. Ученым удалось добиться энергии лазерного импульса до 48 микроджоулей при коэффициенте полезного действия до 1 % (таков в среднем КПД работы лазеров разного типа). Сейчас ведется процедура патентования изобретения.
В ИСЭ СО РАН прорабатывается вопрос об открытии нового подразделения — лаборатории углеродной электроники и фотоники. Уже сейчас имеется приличный задел: это команда молодых специалистов под руководством Е. Липатова, в которой задействованы и студенты базовой кафедры ТГУ. Начато также создание экспериментальной станции научного оборудования для полного цикла работы с алмазами, чтобы исключить зависимость от внешних поставщиков. Исследователям необходимо приобрести пресс стоимостью около 50 миллионов рублей — он применяется для производства алмазов, с его помощью создаются все требуемые для этого условия: высокие давление и температура.
Ученые основали стартап — ООО «Высокотехнологичные алмазные устройства». Директором инновационной компании стал Евгений Липатов. Он рассказал о том, что же планируется сделать: «Мы будем разрабатывать коммерчески востребованный на рынке продукт — алмазный лазер, способный генерировать излучение при протекании электрического тока. Говоря иными словами, устройство, способное работать от розетки. Планируется также развивать направление, связанное с созданием квантовых сенсоров магнитного поля».
По мнению ученого, одна из важнейших задач — это развитие тематики, связанной с применением лазерного излучения на центрах окраски в алмазе, для создания оптических и квантовых компьютеров.
«Квантовые вычисления имеют вероятностную природу и строятся по принципу многократного повторения одной и той же операции, — пояснил Е. Липатов. — Когда кубиты обладают разной структурой (содержат большое число атомов), это негативно сказывается на реализации квантового алгоритма, так как начинают накапливаться ошибки. Избежать этого можно, в том числе используя кубиты на основе NV-центров, состоящих из одного атома, что исключает возникновение погрешностей».
Специалист уверен, что развитие углеродной электроники и квантовых технологий — вычислений, криптографии и сенсорики — может вывести Россию на лидирующие позиции в мире и является одной из приоритетных задач развития науки.
Пресс-служба ТНЦ СО РАН
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии