Ученые из Германии и России описали метод, который позволяет контролировать спины центров окраски в карбиде кремния при помощи поверхностных акустических волн. Это можно использовать для хранения информации на устройствах квантовой памяти.
Схематичное представление прецессии электронного спина в центре окраски. / © HZDR/Blaurock
В качестве кубитов — квантовых носителей информации — в работе использовали дефекты в структуре карбида кремния (SiC), которые также называются центрами окраски, поскольку начинают поглощать свет в спектре, который ранее не был характерен для материала. В этих местах возникают пространственно фиксированные электронные спины, состоянием которых можно управлять, записывая информацию в виде направления спина. Ранее на электронные спины для таких задач воздействовали при помощи электрического или магнитного поля или оптически. В новом исследовании ученые предложили делать это механически — посредством поверхностных акустических волн.
В описанном подходе магнитное поле подстраивает резонансные частоты электронного спина под частоту акустической волны, а лазер переводит его из основного состояния в возбужденное. При обратном переходе в основное спиновое состояние центр окраски испускает квант света, по которому можно определить состояние спина. Благодаря поверхностным акустическим волнам — звуковым колебаниям на поверхности твердого тела, похожим на морские волны — ученые могут одновременно контролировать как основное, так и возбужденное состояние.
Но есть процесс, который способствует потере информации — прецессия спина. Поскольку спин — воображаемая ось вращения частицы, можно провести аналогию с вращением волчка: продолжая вращаться вокруг своей оси, он способен отклоняться от вертикального положения, это и называют прецессией. Примерно то же происходит с электронным спином, и при каждом переходе из основного состояния в возбужденное и обратно ось прецессии меняет свое направление. Большая разница между направлениями осей прецессии в двух состояниях приводит к тому, что ориентация спина меняется неконтролируемо, а квантовая информация теряется всего за несколько таких переходов.
В своей работе ученые показали, как это предотвратить: если правильно настроить резонансные частоты центра окраски, при переходе между состояниями прецессионная ориентация сохраняется. А значит, сохраняется и записанная информация.
Предложенный метод акустической манипуляции открывает новые возможности для обработки квантовой информации в квантовых устройствах, размеры которых соответствуют размерам современных микрочипов. Это сделает квантовые технологий дешевле и доступнее.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Science Advances.
