Квантовый компьютер на коленке: новый дефект в кремнии позволит штамповать чипы будущего как обычные микросхемы

Американские исследователи описали в кремнии новый дефект, который может пригодиться для создания более практичных квантовых устройств в будущем. Команда из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представила CN-центр. Речь идёт о дефекте кристаллической решётки кремния, в котором участвуют атомы углерода и азота. Авторы считают, что такой вариант лучше подходит для масштабируемых квантовых процессоров и фотонных чипов на базе кремния, в том числе для компонентов, рассчитанных на телеком-диапазон.

Интерес к таким дефектам связан с тем, как в твёрдом теле делают кубиты. Кубит — это физическая система с двумя устойчивыми квантовыми состояниями, которые условно соответствуют нулю и единице. В отличие от классического бита, кубит может находиться в суперпозиции: система одновременно остаётся в состоянии, которое включает оба варианта. Несколько связанных кубитов дают ещё более сложные комбинации состояний, и в этом смысле квантовое устройство получает возможность параллельно работать с большим числом вариантов. На практике всё упирается в устойчивость: квантовое состояние нужно удерживать достаточно долго, а затем уметь надёжно записать и считать результат.

Один из рабочих подходов — использовать дефекты кристалла как носители квантовых состояний. В идеальной решётке атомы занимают строго определённые позиции. Если на уровне нескольких атомов появляется дефект, у него возникают собственные электронные уровни. Иногда такой дефект ведёт себя как локальная квантовая система, с которой можно работать через свет. Поэтому в квантовой фотонике много внимания уделяют дефектам, которые могут излучать отдельные фотоны и при этом сохранять квантовое состояние достаточно долго.

В алмазе роль такого носителя играет NV-центр. В кремнии похожим кандидатом считали T-центр — дефект на основе углерода и водорода. Он привлекал тем, что излучает свет на длинах волн телеком-диапазона, удобных для оптоволоконной связи, и может давать долгоживущие квантовые состояния. Но водород плохо дружит с промышленной технологией: атомы водорода в кремнии легко перемещаются и перестраиваются при обработке пластин. Производство чипов почти всегда включает термообработки, на которых водород начинает мигрировать по кристаллу. В результате один и тот же технологический процесс может давать разные дефекты и разные свойства, а воспроизводимость для массового производства становится проблемой.

Команда из Санта-Барбары попыталась убрать эту слабую точку. Исследователи заменили водород на азот и получили дефект нового типа — CN-центр, на основе углерода и азота. Руководитель проекта Кевин Нангои отмечает, что отсутствие водорода делает такой дефект более устойчивым и упрощает его реализацию в реальных устройствах, потому что исчезает проблема с миграцией водорода в процессе изготовления.

Чтобы проверить, сохраняются ли полезные свойства, исследователи провели моделирование на уровне первых принципов. Такие расчёты описывают дефект на атомном уровне и опираются на квантовую механику и электронную структуру материала, а не на подгонку параметров под эксперимент. Модели помогают оценить, будет ли дефект устойчив в решётке, какие у него энергетические уровни и как он должен взаимодействовать со светом.

По результатам расчётов CN-центр сохраняет свойства, из-за которых раньше интерес вызывал T-центр. Авторы отдельно отмечают, что более высокая стабильность может упростить интеграцию CN-центра в существующие платформы кремниевой фотоники, без специальных технологических приёмов, которые обычно нужны из-за подвижности водорода.

Если эксперимент подтвердит существование и свойства CN-центра, у кремния может появиться источник квантового света на телеком-длинах волн без участия водорода. Такой компонент будет проще увязать с привычными материалами и инструментами микроэлектроники, а это важно для масштабирования: квантовые устройства чаще всего упираются не в отдельный удачный образец, а в повторяемость и совместимость с промышленным производством.