Алмазный лазер для квантовых технологий

Ученые из Института сильноточной электроники СО РАН в кооперации с исследователями из ТГУ, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова, Института геологии и минералогии 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.

Все дело в камне

Каким же образом удалось добиться этого? Следует начать с того, что необходим высококачественный синтетический алмаз. Драгоценный камень природного происхождения не подойдет по двум причинам: как правило, он сразу же будет востребован ювелирной отраслью, а во-вторых, от такого алмаза нельзя добиться повторяемости свойств, необходимой для стабильной работы лазера. Поэтому нужен камень 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 Евгений Липатов, старший научный сотрудник группы углеродной электроники и фотоники ИСЭ СО РАН, доцент кафедры квантовой электроники и фотоники ТГУ, это такие дефекты структуры в алмазе, которые состоят из одного атома азота (N) и соседнего вакантного, незанятого атомом углерода узла решетки (V). Он-то и сможет в будущем стать кубитом – аналогом бита для квантового компьютера, с помощью которого будут выполнятся 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 1 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. Полученные результаты были опубликованы в журнале Nature Communications .

Экспериментальная станция и стартап

В институте 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 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 Игоревич. 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. 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, – пояснил Е. Липатов. По его мнению, 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.