Дефектные алмазы как передатчики оптических данных

Дефектные алмазы как передатчики оптических данных

Дефекты для алмаза, как правило, явление нежелательное. Между тем некоторые дефекты минерала квантовые физики воспринимают очень положительно. В частности, дефекты, наделяющие алмаз потенциалом хранения бит информации, которая используется в квантовой вычислительной системе. Так, специалисты прикладной физики Корнеллского университета США продемонстрировали технику для разработки некоторых ключевых оптических свойств алмазных дефектов. Учёные презентовали новый инструмент, пригодный для изучения квантовой механики.

Как применить дефектные алмазы?

Группа исследователей, возглавляемая Грегом Фучем (Greg Fuchs), профессором прикладной и инженерной физики, первой применила вибрации резонатора, стабилизирующего оптические свойства алмаза.

Физикам, в частности, удалось ввести электроны алмаза в возбужденное орбитальное состояние. Исследование подробно описано в статье «Управление орбитальным состоянием алмазного азотно-вакуумного центра с использованием механического резонатора». Статья опубликована апрельским номером «Physical Review Letters».

Аналогично транзисторам компьютера, записывающим двоичную информацию будучи либо «включенными» либо «выключенными», внутренние состояние алмазных дефектов в масштабах атома могут также представлять биты информации. Например, спин — внутреннюю форму углового момента — «вверх» или «вниз».

Правда, в отличие от транзисторов, которые имеют только два состояния, спин обладает квантовой способностью одновременно подниматься и опускаться.

Используемые в определённом сочетании квантовые состояния, обеспечивают запись и обмен информации по экспоненте даже лучше, чем транзисторы.

Подобный эффект позволяет компьютерам выполнять определенные вычисления на скоростях, не поддающихся человеческому воображению.

Однако остаётся нерешённой сложная задача — передача квантовой информации из одного места в другое. Физиками проводились эксперименты с разными материалами и методами, включая использование оптических свойств (азот-вакансионных центров) атомов дефектных алмазов.

Новый инструментарий квантовых переходов

Достаточно удобными и эффективными для обмена информацией видятся образования азот-вакансионных центров. Благодаря такому эффекту, есть возможность получить электронный спин, который является выгодным квантовым состоянием.

При таком условии становится возможным перенос квантового состояния к фотону света. В свою очередь, фотон света может переносить информационный бит на другой дефект алмаза. Одна из проблем заключается в стабилизации и управлении фотоном света.

И вот учёные физики предоставили новый инструментарий для разработки оптического перехода. Механический резонатор изготовлен из монокристаллического алмаза с дефектами, благодаря которым излучаются звуковые волны, вибрирующие на частоте около 1 ГГц.

Звук такой частоты используется для изменения оптических переходов дефекта, когда переход от одного состояния энергии к другому приводит испускание фотона.

Эти переходы, как правило, колеблются в зависимости от различных условий окружающей среды, что затрудняет получение когерентных фотонов для передачи информации.

Например, случайные флуктуирующие электрические поля способны привести к неустойчивости длины волны оптического перехода.

Поэтому чтобы подавить эффект некогерентных (взаимосвязанных) колебаний, необходимо устранить связь между электронной орбитой и нежелательными случайными электрическими полями.

Проверка эксперимента на удачливость

Для того чтобы определить, сработал эксперимент или нет, исследовательская группа физиков использовала микроскоп с лазером, длина волны которого перестраивается. Через микроскоп сканировался азот-вакансионный центр алмаза.

Когда длина волны лазера находилась в резонансе с оптическим переходом, физики наблюдали испускаемый фотон. Это верный индикатор достижения электронами возбужденного состояния. Затем исследователи изучили, каким образом звуковые волны изменяют орбитальные положения и, соответственно, оптический переход.


По материалам: Cornell University


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *