21.01.2019/№4

image

В современном мире широкое применение находят технологии, основанные на использовании законов квантовой физики.

В современном мире широкое применение находят технологии, основанные на использовании законов квантовой физики для практического управления квантовыми системами на уровне индивидуальных компонентов – одиночных атомов, молекул, примесных центров в кристаллах, фотонов и т.п. Прогресс в их развитии уже привел к демонстрации в научных лабораториях принципиально новых методов обработки информации и безопасной ее передачи на большие расстояния, создания метрологических систем для потребностей нанотехнологий и биомедицинских применений.

Особенно перспективно для этих целей использование одиночных квантовых систем в твердых телах, в частности систем взаимодействующих электронных и ядерных спинов, где электроны играют роль «быстрых» квантовых битов (кубитов) и могут использоваться в качестве интерфейсов с «летающими» кубитами – фотонами, а ядерные спины могут выполнять роль квантовой памяти, поскольку позволяют хранить квантовую информацию в течение долгого времени благодаря их исключительно высокой изоляции от окружения.

Наиболее известным представителем одиночных электронно-ядерных систем является центр окраски «азот-вакансия» (NV центр) в алмазе, который состоит из замещающего атома азота (N) и вакансии (V), расположенной в соседнем узле решетки алмаза. Электронным кубитом в нем является спин S = 1 NV центра в основном триплетном электронном состоянии. В отличие от большинства других предложений, на системах NV-13C в алмазе такие операции реализуются при комнатной температуре, что чрезвычайно важно для биологических приложений.

В нашей работе на основе компьютерного моделирования углеродного кластера С510[NV]H252, содержащего NV центр, была впервые получена подробная база данных о характеристиках сверхтонкого взаимодействия для всех возможных спиновых систем NV-13C, отличающихся положением ядерного спина 13С в кластере. Полученные расчетные данные были использованы для поиска положений атомов 13С в кластере, в которых ядерный спин 13С является стабильным, т.е. не испытывает стохастических переворотов. Сделанные теорети­ческие предсказания подтверждены специально поставленным экспериментом, выполненным в группе профессора Ф. Железко (Институт квантовой оптики университета Ульма, Германия). По материалам исследований опубликована совместная статья в журнале New Journal of Physics.

Полученные результаты актуальны в связи с развитием алмазных квантовых технологий и созданием на их основе квантовых процессоров, источников одиночных фотонов для квантовой криптографии, квантовых сенсоров для измерения магнитных/электрических полей и температуры с нанометровой точностью, что открывает перспективы исследования биологических процессов на уровне отдельных клеток, нервных волокон, мембран, реализации магнито-резонансной томографии сложных биологических молекул и т.п.

Александр НИЗОВЦЕВ,

главный научный сотрудник Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси