Современная электроника №8/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 нению с кубитами на ионных ловуш- ках. Так, сильное взаимодействие ионов между собой может вызывать паразит- ные шумовые эффекты. Поэтому для многокомпонентных систем необ- ходимо использовать сложные кон- струкции ионных ловушек. Нейтраль- ные атомы в основном электронном состоянии, напротив, слабо взаимо- действуют друг с другом и с окружаю- щей средой, и поэтому предоставляют возможность компромисса между мас- штабированием, сложностью управле- ния и декогерентностью. Технология оптических ловушек на нейтральных атомах в принципе позво- ляет создавать очень быстрые кванто- вые вентили с использованием ридбер- говских состояний. Кроме того, атомы щелочных и щёлочноземельных металлов легко охлаждаются лазером и могут быть закодированы в долгоживущих сверх- тонких основных состояниях, что зна- чительно увеличивает времена коге- рентности [43]. Кубиты на базе нейтральных атомов в настоящее время используют такие фирмы, как Ion Q, Alpine QuantumTech- nologies (AQT,) Eleqtron, Quantiniuum, CNRS and Universite ′ Paris-Saclay. Кубиты с искусственными атомами в твёрдом состоянии «artificial atoms in the solid state» в последнее время всё больше привлекают внимание разра- ботчиков систем квантовых вычис- лений. В настоящее время одним из самых популярных материалов для реа- лизации кубитов на искусственных ато- мах является алмаз с азотными вакан- сиями на NV-центрах (nitrogen vacancy centers) [44]. Другое, часто встречающееся в ран- них работах, название этих кубитов – spin qubits – спиновые кубиты. Связа- но это с тем, что основным носителем информации в них служат электроны с определённым значением спина. Одна- ко под этим же термином подразумева- ются в ряде случаев полупроводнико- вые спиновые кубиты (semiconductor spin qubits), что, естественно, вызыва- ет некоторую путаницу [45]. Дефекты в алмазах придают им осо- бое свечение. Такие алмазымогут обра- зовываться естественным образом в течение миллионов лет. Например, в природе может существовать алмаз, в решётке которого вместо атома угле- рода будет атом азота, который образо- вался в результате естественного процес- са радиоактивного распада С-14 > N-14. Возможныи другие вариантыобразова- ния цветных алмазов в природе. Такие алмазы крайне редки и безумно доро- ги. Поэтому исследуются и используют- ся в лабораторных условиях искусствен- ные алмазы с замещёнными атомами. В основном кубиты с дефектами кри- сталлической решётки получают спосо- бомионного легирования [46]. В кубитах с дефектами в кристаллической решёт- ке в основномиспользуется так называе- мый чужеродный ион, который находит- ся не на своём месте в кристалле. Первые сообщения о необычных свойствах алмазов с вкраплениями ато- мов азота появились 46 лет назад [47]. Идея кубитов подобного типа основа- на на том, что атомы, являясь достаточ- но простой с точки зрения квантовой механики системой, имеют ограни- ченные степени свободы, а оптические фотоны, испускаемые атомом при сня- тии возбуждения, представляют собой удобный зонд, точно соответствующий типичной энергетической шкале атом- ных переходов. Технологический уровень экспери- ментальной физики только в 2010 году позволил учёным из Гарварда (Harvard University) на реальных опытах полу- чить подтверждение эффекта запутан- ности между поляризацией одиночно- го оптического фотона с одиночным электронным спином центра азот- ной вакансии в алмазе. Результаты этой работы имели очень важное зна- чение для дальнейшего развития дан- ного направления. Они доказали воз- можность построения кубитов на когерентной паре фотонов, снимаю- щих возбуждение, и спина электрона замещающего атома. Эта пара – фотон и «искусственный атом» – стала своеобразным строитель- ным блоком для твердотельных кван- товых оптических сетей. Схема работы кубита на базе NV-центра показана на рис. 8 [48]. На рис. 8 чёрный шарик соответ- ствует атому углерода в решётке кри- сталла алмаза, а красный шарик сим- волизирует замещающий атом азота. Длинная красная стрелка определяет ось NV (ось Z системы координат), где магнитное поле «B» приложено вдоль оси NV. Синий круг S со стрелочками схематически изображает парамаг- нитное триплетное состояние. Атом возбуждается внешним лазером (ћ). Благодаря механическим свойствам и практически ядерной среде без спина сама алмазная решётка является идеаль- ным местом для такого искусственно- го атома. Некоторые свойства NV-центра мож- но описать, рассматривая его как систе- му двух неспаренных электронов, обла- дающих тригональной симметрией (trigonal C3v symmetry) [49]. Спиновая плотность в районе NV-центра фак- тически полностью локализована на трёх атомах углерода вблизи вакан- сии, в то время как на атоме азота она почти незначительна и исчезает на расстоянии, равном всего несколь- ким узлам решётки. Таким образом, атом азота, слабо связанный с кристал- лической решёткой углерода, образу- ет некую электронную вакансию. Это как бы «свободное» место заполняется Рис. 8. Схематическое изображение NV-центра в алмазе с эквивалентными гибридизированными связями