Атомы примесей в полупроводниках могут стать кандидатами в кубиты

Кубит — единица информации в квантовом компьютере. В процессе вычислений он находится во всех состояниях сразу и поэтому помогает обработать гораздо больше информации, чем классический бит, который может принимать только значения 0 или 1.

В роли кубита могут выступать различные квантовые системы: сверхпроводящие искусственные атомы, квантовые точки, атомы в ловушках, реальные атомы в твердом теле и так далее. Однако слабым местом всех существующих кубитов является неустойчивость к шумам. Например, небольшое колебание температуры или магнитного поля могут нарушить квантовое состояние кубита, и он окажется непригоден к вычислениям. Эта проблема разрушения квантового состояния называется декогеренцией и является одной из фундаментальных причин, по которой квантовые компьютеры пока не имеют широкого применения.

Ученые ищут физические системы, в которых можно реализовать кубиты, более устойчивые к шумам. Например, если в некоторые полупроводники добавить примеси, электроны примесных атомов будут долго (по квантовым меркам это несколько наносекунд) сохранять направление спина — собственного магнитного момента. Благодаря длительному времени когеренции спина такие атомные системы можно использовать в качестве кубитов. Физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ исследуют подобные структуры и подбирают оптимальные материалы для них.

Электроны каждого атома, согласно квантовой механике, имеют определенную энергию — находятся на энергетическом уровне. В кристаллах электроны могут переходить от одного атома к другому, их энергетический спектр становится практически сплошным, без разделения на уровни. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать. Но, если добавить примесный атом в полупроводник, электронам этого атома станут доступны уровни у верхнего или нижнего края запрещенной зоны. Получается, такое укромное место, где можно долго удерживать электрон — отличная площадка для кубита. Стоит отметить, что это возможно при температурах ниже 250 градусов Цельсия.

Важно правильно выбрать полупроводник и примесь, чтобы локализовать электроны. Поэтому физики обратили внимание на дихалькогениды переходных металлов — слоистые двумерные полупроводники, состоящие из атома переходного металла (здесь молибдена) и халькогена (здесь теллура). В кристаллах дихалькогенидов из-за симметрии (атомы располагаются в форме шестиугольника) самые выгодные энергетические состояния для электронов находятся в определенных областях пространства — долинах — вокруг атомов. Более того, электроны способны в них некоторое время сохранять проекцию спина — собственного магнитного момента. Однако такие времена слишком малы для когерентности кубита. По этой причине исследователи заместили атомы теллура на атомы брома, «открыв» для электронов дополнительные уровни вблизи нижнего края запрещенной зоны. В этом случае возникало связанное состояние электронов и долин, и проекция спина на этих уровнях сохранялась в течение нескольких наносекунд, что достаточно для создания кубита.

Для изучения столь тонких эффектов ученые использовали несколько высокоточных приборов. Сначала они получили электронную структуру примеси брома с помощью электронного парамагнитного резонанса — расщепления энергетических уровней во внешнем магнитном поле — и оценили по этим данным время когерентности спинового состояния. Оно составило порядка 5 наносекунд при температурах ниже –258 градусов Цельсия (15 кельвинов). 

Затем применили сканирующий туннельный микроскоп. На иглу микроскопа подавалось напряжение, и электроны с поверхности туннелировали на иглу, создавая ток. По изменению значения тока физики получали пространственную локализацию электронов и их энергию. Эти измерения подтвердили, что состояния электронов брома локализуются вблизи долин, а их энергия меняется — именно связь долин и примеси обеспечивала длительное время когерентности. Физики предполагают, что его можно увеличить, если взять однослойный кристалл дихалькогенида. Данные, аналогичные экспериментальным, исследователи получили и с помощью компьютерного моделирования.

«Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом а-ля кубит. Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, сейчас моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние. Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вносить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное. И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси», — подводит итог директор центра, руководитель лаборатории сверхпроводящих и квантовых технологий, доктор физико-математических наук Василий Столяров.