Физики вырастили микроалмазы с оловом для квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры позволяют решать некоторые задачи — например, моделировать молекулярные системы — значительно быстрее, чем самые мощные «классические» суперкомпьютеры. Они работают на основе кубитов — квантовых вычислительных элементов, которые служат альтернативой битам в обычных компьютерах и способны совершать более сложные операции, тем самым увеличивая скорость вычислений.

Роль кубитов могут играть примесные центры окраски из олова, германия или кремния в алмазах. Включения этих элементов в кристаллическую решётку приводят к появлению новых спиновых состояний, что может использоваться для кодирования информации. Трудность заключается в том, что такие состояния получаются только при крайне низких температурах. В случае кремниевых и германиевых центров речь идёт о температурах ниже 1 Кельвина (или -272°C), тогда как у оловянных центров рабочая температура несколько выше 2–5 Кельвинов (от -271°C до -268°C). Это значит, что разрабатывать квантовые устройства на оловянных центрах будет проще и дешевле. Однако надёжного метода синтеза крупных высококачественных алмазов с включениями олова до сих пор нет. Созданные сегодня кристаллы или значительно меньше требуемого размера, или обладают недостаточно хорошими оптическими свойствами.

Учёные из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) с коллегами впервые в мире создали в СВЧ-плазме алмазные микрочастицы с одиночными центрами окраски из олова. Авторы вырастили алмазы в реакторе, заполненном метаном и водородом. Исследователи поместили в установку затравочные кристаллы алмаза, а также частицы оксида олова и нагрели их СВЧ-излучением (микроволновой плазмой) до температур около 1000°C. Метан при этом служил источником атомов углерода — «строительных блоков» для растущего алмаза, а водород извлекал из частиц отдельные атомы олова, которые сначала поступали в газовую среду, а затем оседали на поверхность алмаза и включались в его кристаллическую решётку.

Авторы исследовали структуру полученных кристаллов с помощью растрового электронного микроскопа. Частицы имели размер 2–4 микрометра (что сопоставимо со средним размером бактерий) и характерную для высококачественных алмазов форму кубооктаэдров — многогранников с чередующимися треугольными и прямоугольными гранями.

Кроме того, исследователи оценили оптические свойства кристаллов, изучив спектры люминесценции образцов. Полученные результаты подтвердили, что в кристаллическую решётку некоторых алмазов действительно встроились частицы олова, однако большинство образцов оказались обычными алмазами без центров окраски. Это подчёркивает, что включать атомы олова в алмазы довольно трудно, однако предлагаемый авторами метод принципиально позволяет это сделать.

«Наша работа доказала, что изготовить высококачественные алмазы с оловом вполне реально. Получаемые предложенным нами способом алмазы будут полезны в области оптической сенсорики температуры, квантовой оптики, а также для хранения и передачи квантовой информации. В дальнейшем мы планируем совершенствовать методику для синтеза высококачественных плёнок с включениями олова на макроскопических алмазных кристаллах размером в несколько миллиметров», — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Вадим Седов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов Института общей физики РАН.

В исследовании также принимали участие сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва),МИРЭА — Российского технологического университета (Москва), Московского педагогического государственного университета (Москва) и Школы физики и астрономии Кардиффского университета (Великобритания).