Радиофизики разработают новые квантовые сенсоры на алмазном лазере

Радиофизики Томского государственного университета (ТГУ) выяснили, что на N2V0-центрах окраски в алмазе – дефектах кристаллической решетки – можно создать квантовые сенсоры магнитного поля. Эти исследования позволят ученым управлять активными элементами квантовых сенсоров, создать линейку инжекционных алмазных лазеров, а также 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» ТГУ в рамках программы «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 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.

По его словам, с помощью радиационно-термической обработки и свойств центров окраски создадут 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, ученые сделают интегральные квантовые сенсоры нового типа.

Миниатюрные сверхчувствительные и высокоточные датчики можно будет использовать во многих отраслях: в системах навигации беспилотных систем, медицине, поиске дефектов в материалах для разных конструкций и других сферах. Квантовый компьютер на основе центров окраски в алмазе, созданием которого занимаются радиофизики ТГУ, потенциально будет работать при комнатной температуре, в отличие от существующих квантовых вычислительных систем, которые требуют сверхнизких температур.

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

Работа проводится в лаборатории квантовых информационных технологий РФФ ТГУ, созданной при грантовой поддержке Минобрнауки России вместе с учеными Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН.

Исследования опубликованы в журналах Nature communications, «Квантовая электроника», Applied physics B и Physica status solidi.