Квантовые компьютеры обещают революцию, но главная проблема на пути к массовому производству — сами кубиты. Они должны быть стабильными, управляемыми и, желательно, производиться из тех же материалов, что и обычные чипы. Кремний — очевидный кандидат, но долгое время ученые не могли найти в нем идеальный дефект, который служил бы надежным носителем квантовой информации.
Одним из перспективных кандидатов был так называемый Т-центр — дефект, состоящий из атомов углерода и водорода. Он обладал нужными свойствами: излучал свет в телекоммуникационном диапазоне и имел долгоживущие квантовые состояния. Но водород в его составе оказался ахиллесовой пятой. Атомы водорода подвижны, они диффундируют внутри кремния в процессе производства, что делает воспроизводимость таких кубитов крайне низкой.
Команда под руководством Криса Ван де Валле из UC Santa Barbara решила заменить водород на азот. С помощью компьютерного моделирования на атомном уровне они выяснили, что дефект углерод-азот (CN-центр) сохраняет все лучшие свойства Т-центра, но при этом структурно стабилен. Он не боится технологических процессов и может быть интегрирован в существующие кремниевые фотонные платформы без специальных этапов изготовления.
«В отличие от Т-образного центра, этот дефект не содержит водорода и, следовательно, будет более надежным и его будет легче реализовать в реальных устройствах», — объясняет Кевин Нангои, ведущий автор исследования. CN-центр излучает свет на длинах волн, используемых в оптоволоконной связи, что открывает путь к созданию квантовых процессоров, объединенных в сети обычными оптическими кабелями.
Если экспериментальные образцы подтвердят расчеты, кремниевая электроника получит готовый строительный блок для масштабируемых квантовых устройств. Те же фабрики, что сегодня штампуют процессоры для ноутбуков и смартфонов, смогут выпускать и кубиты. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
