Сотрудники лаборатории квантовых информационных технологий радиофизического факультета Томского госуниверситета с коллегами из Москвы и Новосибирска впервые в мире продемонстрировали лазерное излучение на NV-центрах в алмазе при оптическом возбуждении. При помощи алмазных лазеров будут созданы быстродействующие интегральные квантовые сенсоры магнитного поля, которые помогут приблизить создание квантовых компьютеров на основе алмаза.
Уникальное сочетание таких свойств, как теплопроводность, низкое тепловое расширение и механическая прочность, делает алмазные кристаллы отличным кандидатом для мощных непрерывных и ультракоротких лазеров. Характеристики алмаза таковы, что они позволят работать устройствам на его основе при комнатной и повышенной температуре, при высоких уровнях радиации или в условиях химически агрессивных сред.
– Энергетические затраты при производстве синтетического алмаза в последнее время стали кратно ниже, чем при добыче и извлечении природного алмаза из породы. Технологии синтеза алмаза развивались, благодаря чему данный материал стал коммерчески доступен и теперь готов к активному использованию в электронике и фотонике. Помимо квантовых технологий, он найдет свое применение в радиационно-стойкой, высокотемпературной и силовой электронике – объясняет заведующий лабораторией квантовых информационных технологий РФФ ТГУ Евгений Липатов.
По словам Евгения Липатова, когда в 2000 году он, будучи магистрантом кафедры квантовой электроники и фотоники РФФ ТГУ, начал исследовать свойства алмаза, в его распоряжении был только один образец, который в то время был редким и дорогим материалом для исследований. Сегодня же синтетический алмаз начинает активно проникать в квантовые технологии: сенсорику, вычисления и криптографию.
В 2020 году при грантовой поддержке Министерства науки и образования РФ на радиофизическом факультете ТГУ была организована лаборатория квантовых информационных технологий, костяк которой составили ученые и преподаватели кафедры квантовой электроники и фотоники РФФ и ученые Института сильноточной электроники СО РАН.
– Мы нацелены на изучение физических основ и создание квантовой элементной базы для сенсоров магнитного поля, интегральных лазеров, систем квантовой криптографии и квантовых вычислений. Так, мы впервые в мире продемонстрировали лазерное излучение на NV-центрах в алмазе при оптическом возбуждении. Сейчас энергия в импульсе нашего алмазного лазера выросла на 3 порядка и составляет десятки микроджоулей. Таким образом, мы приближаемся к созданию предпромышленного образца, – сказал Евгений Липатов.
Открытие алмазного NV-лазера было сделано в коллаборации с научными и инновационными коллективами из Москвы (ВНИИА, МГУ), Новосибирска (ИГМ СО РАН, ООО «Велман») и Томска (ИСЭ СО РАН). Подробное описание лазера на NV-центрах в алмазе можно найти в статье «NV–diamond laser» ученых лаборатории квантовых информационных технологий ТГУ, опубликованной в журнале Nature Communications.
Появление инжекционных алмазных лазеров станет очередным новым шагом на пути к созданию квантового компьютера на основе алмаза. На первом этапе на их основе будут собраны быстродействующие квантовые сенсоры магнитного поля, затем велика вероятность появления и самих квантовых компьютеров на основе алмаза, которые будут работать при комнатной температуре.
– Это уже не фантастика, и в мире уже появились стартапы, которым инвесторы выделили средства на создание квантовых ускорителей и квантовых процессоров на NV-центрах в алмазе. В России есть много ученых с мировым именем, которые могли бы передать свои знания и компетенции молодым ученым, преподавателям и инноваторам. В этом случае у нашей страны есть впечатляющие перспективы занять лидирующие позиции в производстве квантовой элементной базы и приборов углеродной электроники и фотоники, – подытожил Евгений Липатов.