Радиофизики Томского государственного университета выяснили, что на N₂V⁰-центрах окраски в алмазе (дефектах кристаллической решетки) можно создать квантовые сенсоры магнитного поля. Кроме того, лазерная генерация на N₂V⁰-центрах позволит управлять активными элементами квантовых сенсоров и кубитами квантовых процессоров и создать линейку инжекционных алмазных лазеров. На основе таких лазеров ученые смогут разработать быстродействующие интегральные квантовые сенсоры нового типа и создать квантовый компьютер, способный обрабатывать огромный массив данных и функционировать при комнатной температуре.

Проект «N₂V⁰-центры окраски алмаза для квантовой магнитометрии» поддержан стратегическим проектом «Технологии безопасности» Томского государственного университета в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Сотрудники лаборатории квантовых информационных технологий радиофизического факультета Томского госуниверситета изучают чувствительность N₂V⁰-центров окраски алмаза к магнитному полю. Ранее, в 2021 году, вместе с коллегами из Москвы и Новосибирска они впервые в мире продемонстрировали лазерное излучение на NV¯-центрах в алмазе при оптическом возбуждении. Новые исследования показали, что алмазный NV¯-лазер – это чувствительный квантовый магнитометр, а N₂V⁰-центры окраски в алмазе могут быть активными элементами квантовых сенсоров магнитного поля. Ученые обнаружили, что с помощью метода оптического детектирования магнитных резонансов можно управлять активными элементами квантовых сенсоров и кубитами на основе NV¯- и N₂V⁰-центров окраски в алмазе. Сейчас исследователи разрабатывают методику управления активными элементами этого нового типа квантовых магнитометров. 

– При синтезе алмаза азот хорошо встраивается в кристаллическую решетку. Далее его можно трансформировать в NV¯- и N₂V⁰-центры окраски с помощью облучения электронами и последующего нагрева в вакууме до высокой температуры, а также с помощью других манипуляций, – поясняет руководитель проекта, заведующий лабораторией квантовых информационных технологий, доцент кафедры квантовой электроники и фотоники радиофизического факультета ТГУ Евгений Липатов. – Используя возможности радиационно-термической обработки и свойства центров окраски, мы создадим линейку «алмазеров» – инжекционных алмазных диодов, излучающих при протекании тока красный, оранжевый либо зеленый свет. На их основе либо с использованием метода оптического детектирования магнитных резонансов сделаем интегральные квантовые сенсоры нового типа.

Миниатюрные сверхчувствительные и высокоточные датчики можно будет использовать во многих отраслях: в системах навигации беспилотных систем, в медицине, дефектоскопии конструкционных материалов и других сферах. 

При создании квантовых сенсоров команда проекта отработает методы управления кубитами квантового компьютера, что тоже является преимуществом реализуемых комплексных исследований, добавляет Евгений Липатов. Квантовый компьютер на основе центров окраски в алмазе, созданием которого занимаются радиофизики ТГУ, потенциально будет работать при комнатной температуре, тогда как работа существующих квантовых вычислительных систем требует сверхнизких температур. 

Об основном методе измерений в работе квантовых сенсоров и кубитов на центрах окраски в алмазе Евгений Липатов рассказал коллегам на XX Международной конференции «Актуальные проблемы радиофизики», состоявшейся в Томском государственном университете.

Выводы ученых РФФ ТГУ опубликованы в высокорейтинговых научных иностранных и отечественных журналах: Nature communications (Q1), Квантовая электроника (Q3), Applied physics B (Q2), Physica status solidi (Q2).

В дальнейшем команда проекта планирует запатентовать изобретение, создать экспериментальные стенды и установки, разработать лабораторный образец, выстроить взаимодействие с промышленными партнерами и создать минимально жизнеспособный продукт (MVP).

В проекте участвуют заведующий лабораторией квантовых информационных технологий радиофизического факультета ТГУ Евгений Липатов (руководитель проекта); научный сотрудник Михаил Шулепов; младший научный сотрудник Владимир Чащин; лаборант, магистрант Ольга Лыга и другие сотрудники лаборатории.

Для справки. Исследования проводятся в лаборатории квантовых информационных технологий РФФ ТГУ, созданной в 2020 году при грантовой поддержке Министерства науки и высшего образования России вместе с учеными Института сильноточной электроники СО РАН.