Алмазы, которые помнят свет: российские учёные создали кристаллы для квантовых компьютеров

Российские учёные сделали шаг к созданию компонентов для квантовых компьютеров. Исследователи Института геологии и минералогии (ИГМ) СО РАН синтезировали образцы алмазов, которые можно использовать в квантово-физических исследованиях и будущих вычислительных технологиях. Эти кристаллы отличаются высокой чистотой, уникальными люминесцентными свойствами и способны работать как элементы памяти нового поколения.

Алмаз как материал будущего

Алмазы уже несколько лет рассматриваются физиками по всему миру как один из самых перспективных материалов для квантовых технологий. Их структура позволяет стабильно удерживать квантовую информацию — не теряя данных даже в сложных условиях.

"Сейчас идут эксперименты и получены первые результаты создания кристаллов алмаза, которые могут быть использованы в качестве модулей памяти на компьютерах нового поколения", — сообщил директор ИГМ Николай Крук.

Главное преимущество алмазов — их прочность и химическая стабильность. В отличие от других кристаллов, они выдерживают экстремальные температуры, магнитные поля и радиацию, что делает их идеальной основой для квантовых ячеек.

Почему алмазы интересны физикам? Ключ в их дефектах. Если в структуру кристалла внести атомы азота, кремния, германия или олова, возникают так называемые примесно-вакансионные центры - участки, где электроны ведут себя особым образом. Именно они способны хранить и передавать квантовую информацию через излучаемые фотоны.

Новые центры и роль германия

Учёные ИГМ впервые доказали, что расплав германия может действовать как катализатор синтеза алмаза. Это открытие позволило сформировать в кристалле новые оптические центры, отличающиеся высокой люминесценцией даже при комнатной температуре.

"Результаты спектроскопических исследований показали, что синтезированные кристаллы содержат новые оптические центры с уникальными характеристиками — энергия излучаемых фотонов сосредоточена в узком диапазоне", — рассказал член-корреспондент РАН Юрий Пальянов.

Эта особенность критически важна для квантовой физики: узкий спектр делает сигнал устойчивым, а значит, позволяет использовать такие алмазы в качестве точных элементов квантовых сенсоров и памяти.

А что если заменить германий другими элементами? Учёные поясняют, что азот и кремний дают схожие эффекты, но менее стабильные. Германий формирует центры с более чистым спектром и меньшими потерями при считывании информации.

Сравнение с зарубежными экспериментами показывает: российские образцы обладают аналогичными характеристиками с кристаллами, синтезированными в лабораториях США и Германии, что подтверждает мировую конкурентоспособность подхода.

Управление квантовыми состояниями

В сотрудничестве с коллегами из Германии и США российские исследователи продемонстрировали возможность управления электронным состоянием оптических центров с помощью магнитных полей и сверхчастотного электромагнитного излучения. Это ключевой шаг к созданию ячеек квантовой памяти — устройств, способных хранить единицы квантовой информации (кубиты).

"Полученные центры можно контролировать с высокой точностью. Это открывает путь к созданию масштабируемых квантовых сетей", — подчеркнул Пальянов.

Такие центры работают как миниатюрные "ловушки" для электронов, где их спиновые состояния используются для передачи и хранения данных. Возможность манипулировать ими в магнитных полях приближает создание квантовых регистров - аналогов оперативной памяти будущего.

А что если попытаться применить эти алмазы вне лаборатории? Учёные считают, что их можно использовать и как температурные сенсоры: кристаллы сохраняют стабильную яркость люминесценции при изменении температуры, что делает их чувствительными и долговечными измерительными элементами.

Как выращивают квантовые алмазы

Для создания таких кристаллов используется уникальная установка БАРС - беспрессовая аппаратура высокого давления "разрезная сфера", разработанная в ИГМ. Она позволяет выращивать монокристаллы массой до 6 карат при контролируемом внесении примесей.

"Благодаря закономерному расположению дефектов и точному внесению примесей кристаллы приобретают уникальные свойства", — отметил Крук.

Почему кристаллы небольшие? Оптическая чистота и структурная однородность достигаются только при ограниченном размере. Чем меньше карат, тем проще контролировать распределение примесей и дефектов.

Сравнение с промышленными алмазами показывает: для ювелирных целей важна прозрачность, а для научных — стабильность квантовых свойств. Поэтому "научные" кристаллы отличаются от ювелирных не внешним видом, а внутренним строением.

На пути к квантовым сетям

Исследования ИГМ ведутся в партнёрстве с Российским квантовым центром, а также зарубежными институтами. Учёные уже рассматривают варианты интеграции алмазных центров в системы квантовой памяти и оптические линии связи.

Перспективные применения:

• квантовые вычисления и коммуникации;
• прецизионные магнитометры и температурные сенсоры;
• фотонные устройства для квантовых сетей;
• хранение информации в сверхустойчивых состояниях.

"Мы видим реальные перспективы использования этих алмазов как базового материала для квантовых сетей будущего", — отметил Пальянов.

А что если разработка получит промышленное применение? Тогда Россия сможет производить собственные компоненты для квантовых устройств — от памяти до сенсоров — без зависимости от импортных технологий.

Созданные кристаллы объединяют достижения геологии, материаловедения и квантовой физики. Они доказывают, что фундаментальная наука может напрямую влиять на развитие цифровых технологий и безопасность данных.