Российские ученые создали первый в мире алмазный лазер на NV-центрах при оптической накачке

Новая разработка наших ученых предназначена для создания квантовых сенсоров и компьютеров, а также для развития квантовых вычислений и коммуникаций. В проекте участвуют исследователи Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, Томского государственного университета, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова, а также Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук. Что это за разработка?

Как поясняет пресс-служба Томского научного центра, для создания прибора необходим высококачественный синтетический алмаз. Драгоценный камень природного происхождения не подходит из-за отсутствия повторяемости свойств, необходимой для стабильной работы лазера. Требуется минерал искусственного происхождения, который подвергся радиационно-термической обработке, после чего в его кристаллической структуре образовался ряд центров окраски, стойких к лазерному излучению.
Первостепенное значение для квантовых технологий имеют так называемые NV-центры (один из центров окраски в алмазе). Это такие дефекты структуры в алмазе, которые состоят из одного атома азота (N) и соседнего вакантного, не занятого атомом углерода узла решетки (V). Он-то и сможет в будущем стать кубитом — аналогом бита для квантового компьютера, с помощью которого будут выполняться алгоритмы квантовых вычислений.
Попытки добиться лазерного излучения от центров окраски в алмазах безуспешно велись несколько десятков лет, поэтому полученный в России результат стал настоящим прорывом. Усиленное нетепловое свечение вещества и генерация лазерного излучения достигнуты в синтетических алмазных образцах, которые содержат до 10 NV-центров и до 300 атомов азота на один миллион атомов углерода. Импульсное свечение алмазных кристаллов наносекундной длительности наблюдалось в красной области спектра при накачке лазерным излучением в зеленой и оранжевой областях спектра. Ученым удалось добиться энергии лазерного импульса до 48 микроджоулей при коэффициенте полезного действия до 1% (таков в среднем КПД работы лазеров разного типа). Уже ведется процедура патентования изобретения.

Ученые в Томске планируют разрабатывать коммерчески востребованный на рынке продукт – алмазный лазер, способный генерировать излучение при протекании электрического тока (устройство, способное работать от розетки). Планируется также развивать направление, связанное с созданием квантовых сенсоров магнитного поля.
Квантовые вычисления имеют вероятностную природу и строятся по принципу многократного повторения одной и той же операции. Когда кубиты обладают разной структурой (содержат большое число атомов), это негативно сказывается на реализации квантового алгоритма, так как начинают накапливаться ошибки. Избежать этого можно, в том числе используя кубиты на основе NV-центров, состоящих из одного атома, что исключает возникновение погрешностей

Также решается вопрос об открытии в Институте сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук новой лаборатории углеродной электроники и фотоники. Начато также создание экспериментальной станции научного оборудования для полного цикла работы с алмазами, чтобы исключить зависимость от внешних поставщиков. Исследователям необходимо приобрести пресс стоимостью около 50 миллионов рублей — он применяется для производства алмазов, с его помощью создаются все требуемые для этого условия: высокие давление и температура.