Квантовая память на редких землях: ключ к долгоживущим кубитам

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование объединяет понимание химии интерфейсов, деформаций и дефектов для достижения стабильной квантовой когерентности ионов редких земель в гетероструктурах.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

В гетероструктуре GaX-TiO2 ионы эрбия, расположенные на границе раздела, взаимодействуют с диффундирующими спинами галлия и кислородными вакансиями, что приводит к уширению спектральных линий, зависящему от расстояния и определяемому флуктуациями магнитного поля, при этом зависимость плотности спектрального шума от расстояния демонстрирует соответствие теоретическим моделям, а влияние граничной деформации проявляется в асимметричной форме спектральных линий эрбия.

Исследование связывает химию интерфейса, деформации и динамику дефектов с оптической когерентностью ионов редких земель в оксидных/полупроводниковых гетероструктурах, выявляя ключевые факторы для разработки квантовых ячеек памяти с низкой декогеренцией.

Несмотря на перспективность редкоземельных ионов в качестве квантовых носителей информации, их когерентность в гетероструктурах ограничена локальным беспорядком и шумами интерфейса. В работе, посвященной ‘Quantum Coherence of Rare-Earth Ions in Heterogeneous Photonic Interfaces’, исследованы микроскопические механизмы, определяющие спектральные характеристики Er$^{3+}$:TiO$_2$ пленок на подложках GaAs и GaSb. Установлено, что комбинация напряжений, дефектов и химии интерфейса существенно влияет на энергии кристаллических полей эрбия и ширину спектральных линий. Возможно ли, контролируя эти факторы, создать высококогерентные квантовые ячейки памяти для масштабируемых квантовых технологий?

В поисках когерентности: Основы квантовых сетей

Разработка квантовых сетей требует создания надёжных запоминающих устройств и эффективных источников фотонов в твердотельной форме, однако поддержание квантовой когерентности представляет собой существенную проблему. Квантовые состояния, используемые для передачи информации, чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям, таким как тепловые колебания и электромагнитные поля, что приводит к быстрой декогеренции и потере квантовой информации. Сохранение когерентности в течение достаточного времени для практической реализации квантовых сетей требует разработки новых материалов и методов, позволяющих изолировать квантовые биты от окружающей среды и минимизировать источники шума. Преодоление этого препятствия является ключевым шагом на пути к созданию безопасных и высокопроизводительных квантовых коммуникационных систем, способных решать задачи, недоступные классическим сетям.

Гибридные квантовые узлы, объединяющие масштабируемые фотонные схемы с когерентными спин-фотонными интерфейсами, представляют собой перспективный путь к созданию квантовых сетей. В этих узлах информация кодируется в спиновых состояниях атомов, а для передачи используются фотоны, что позволяет преодолевать ограничения, связанные с декогеренцией и потерями сигнала в традиционных квантовых системах. Сочетание преимуществ спиновых ансамблей — длительное время когерентности и возможность хранения квантовой информации — с высокой скорости и дальностью передачи фотонов открывает возможности для создания эффективных и надежных квантовых коммуникационных каналов. Разработка таких узлов требует точной интеграции различных материалов и технологий, включая нанофотонику и спиновую физику, для обеспечения эффективного взаимодействия между спинами и фотонами и минимизации потерь квантовой информации.

Ключевым элементом создания эффективных квантовых узлов выступают материалы, способные содержать ионы редкоземельных элементов (РЗЭ) с переходами в телекоммуникационном диапазоне. Данный диапазон, соответствующий длине волн, используемым в существующих оптоволоконных сетях, обеспечивает совместимость с существующей инфраструктурой связи и минимизирует потери сигнала при передаче квантовой информации. Ионы РЗЭ, благодаря своим уникальным электронным структурам, обладают длительным временем когерентности — важным свойством для хранения и обработки квантовых состояний. Исследования сосредоточены на интеграции этих ионов в твердотельные матрицы, такие как кристаллы или наноструктуры, для создания компактных и масштабируемых квантовых запоминающих устройств, способных эффективно взаимодействовать с фотонами и передавать квантовую информацию на значительные расстояния. Успешная реализация этой концепции позволит создать надежные и функциональные квантовые сети, открывая новые возможности в области безопасной связи, квантовых вычислений и распределенных сенсорных сетей.

Гетероэпитаксиальная пленка Er3+:TiO2, синтезированная на подложках из III-V соединений с использованием буферного слоя, демонстрирует различные спектры фотолюминесцентной возбуждения для рутильной (b) и анатазной (c) фаз.

Диоксид титана: Платформа для исследования когерентности

Диоксид титана (TiO₂) представляет собой модельный материал для исследования оптической когерентности редкоземельных элементов (РЗЭ) благодаря своим фундаментальным свойствам и возможности выращивания в различных полиморфных модификациях. Эта способность позволяет контролировать параметры кристаллической решетки и, как следствие, электронную структуру материала, что критически важно для понимания взаимодействия света с РЗЭ, внедренными в матрицу TiO₂. Разнообразие полиморфов, таких как рутил и анатАЗ, обеспечивает гибкость в настройке локального окружения ионов РЗЭ, что напрямую влияет на их оптические характеристики и когерентность. Исследование оптических свойств TiO₂, таким образом, служит платформой для углубленного изучения механизмов когерентности в системах с РЗЭ.

В рамках данного исследования в качестве матрицы для исследования использованы полиморфы диоксида титана — рутил и анатаз. Оба полиморфа выращивались методом импульсной лазерной абляции (Pulsed Laser Deposition) на подложках из арсенида галлия (GaAs) и антимонида галлия (GaSb). Выбор подложки обусловлен необходимостью контроля ориентации формируемой пленки $TiO_2$, что критически важно для дальнейшего изучения оптических свойств и взаимодействия с внедряемыми редкоземельными ионами.

Инженерное создание напряжений в тонких плёнках $TiO_2$ посредством выбора подложки является критически важным для управления межфазными напряжениями и формированием дефектов. Подбор подложки, такой как GaAs или GaSb, позволяет контролировать ориентацию плёнки и, следовательно, величину и знак напряжений. Это, в свою очередь, оказывает существенное влияние на оптические свойства материала, в частности, приводя к сдвигу частоты в спектре Er3+ Y1→Z1 перехода до 20 ГГц. Контроль напряжений позволяет тонко настраивать оптические характеристики и создавать материалы с заданными свойствами.

Селективное легирование тонкой пленки Er3+:TiO2 на GaAs позволяет модулировать напряжение за счет изменения толщины легированного слоя, что проявляется в сдвиге частот в спектрах поглощения и демонстрирует взаимосвязь между напряжением и концентрацией кислородных вакансий.

Прогнозирование оптических свойств Er3+: Теория и моделирование

Расчеты в рамках теории кристаллического поля, основанные на методах теории функционала плотности (DFT), являются ключевым инструментом для прогнозирования оптических свойств $Er^{3+}$ легированного $TiO_2$. Эти расчеты позволяют определить энергетические уровни и вероятности переходов ионов $Er^{3+}$ в кристаллической решетке $TiO_2$. Точность результатов напрямую зависит от корректного учета электронной структуры как иона $Er^{3+}$, так и матрицы $TiO_2$, включая эффекты спин-орбитального взаимодействия и релятивистские поправки. Использование DFT позволяет учесть влияние локального окружения ионов $Er^{3+}$ на их энергетические уровни, что необходимо для точного моделирования оптических спектров.

Расчеты в рамках теории кристаллического поля, основанные на методах теории функционала плотности (DFT), позволяют определить энергетические уровни и вероятности переходов ионов $Er^{3+}$ в решетке $TiO_2$. Определяемые энергии соответствуют различным состояниям электронной конфигурации иона эрбия, а вероятности переходов количественно характеризуют интенсивность поглощения или излучения света при переходах между этими уровнями. Данные параметры напрямую влияют на оптические свойства материала, включая длины волн поглощения и эмиссии, а также эффективность люминесценции. Точное определение этих значений необходимо для прогнозирования и оптимизации оптических характеристик $TiO_2$, легированного $Er^{3+}$.

Метод Монте-Карло используется для моделирования коллективного спектра ионов $Er^{3+}$ в диоксиде титана, учитывая неоднородность локального окружения каждого иона. В процессе симуляции генерируется статистически значимое количество конфигураций, представляющих различные позиции ионов $Er^{3+}$ в кристаллической решетке $TiO_2$. Для каждой конфигурации рассчитывается спектр по результатам вычислений теории функционала плотности (DFT). Коллективный спектр получается путем усреднения спектров отдельных конфигураций, взвешенных в соответствии с их вероятностью возникновения. Этот подход позволяет учесть влияние локальных искажений кристаллической решетки и различий в координационном окружении ионов $Er^{3+}$ на оптические свойства материала.

Комбинация сжатия и растяжения в плоскости, при фиксированном сжатии по оси c, влияет на уровни энергии кристаллического поля, что сказывается на энергии образования дефектов в TiO2, легированном Er, особенно в присутствии VOVₒ дефектов, где большая спиновая плотность на атомах Er обусловлена гибридизацией 4f и 2p орбит.

Влияние дефектов: Оптимизация структуры для повышения эффективности

Присутствие дефектов в виде вакансий кислорода в диоксиде титана ($TiO_2$) оказывает существенное влияние на локальные электрические и магнитные поля, что, в свою очередь, приводит к изменению оптических свойств ионов эрбия ($Er^{3+}$). Вакансии кислорода создают локализованные нарушения в кристаллической решетке, изменяя распределение заряда и, следовательно, электрическое поле вокруг ионов $Er^{3+}$. Это изменение электрического поля влияет на энергетические уровни ионов эрбия, изменяя их способность поглощать и излучать свет. Кроме того, вакансии кислорода могут изменять магнитные свойства материала, что также оказывает влияние на оптические переходы ионов $Er^{3+}$. Таким образом, контроль концентрации и распределения вакансий кислорода является критически важным для оптимизации оптических характеристик материалов на основе $TiO_2$, содержащих ионы $Er^{3+}$.

Исследования показали, что диффузия галлия (Ga) из подложки в диоксид титана (TiO₂) оказывает негативное влияние на оптические свойства и стабильность эрбий-содержащих материалов. Установлено, что атомы галлия, проникая в структуру TiO₂, вносят вклад в шумовые процессы и приводят к уширению спектральных линий эрбия, что снижает эффективность излучения. Измерения показали, что длина диффузии галлия составляет порядка 4 нм, что указывает на локализованное влияние этого явления вблизи границы раздела материал-подложка. Уширение спектральных линий эрбия, вызванное диффузией галлия, может достигать 10 ГГц, что существенно ухудшает характеристики оптических устройств. Понимание механизма диффузии галлия и его влияния на оптические свойства является критически важным для разработки эффективных стратегий контроля качества и оптимизации характеристик.

Исследования показали, что диффузия галлия (Ga) в диоксид титана (TiO₂) приводит к значительному уширению спектральных линий излучения ионов европия (Er³⁺) вблизи границы раздела, достигающему 10 ГГц. Этот эффект особенно заметен в непосредственной близости от подложки, откуда происходит диффузия галлия. Однако, удаление вакансий кислорода в TiO₂, напротив, способствует сужению спектральных линий, причем в областях, удаленных от границы раздела, снижение ширины линии может достигать 8 ГГц. Таким образом, пространственное распределение дефектов — диффузии галлия у интерфейса и аннигиляции вакансий кислорода в объеме — оказывает существенное влияние на оптические характеристики материала и, следовательно, на эффективность работы приборов на его основе.

Тщательный контроль параметров роста и выбор подложки имеют решающее значение для минимизации неблагоприятных эффектов, влияющих на характеристики устройств на основе диоксида титана. Исследования показывают, что диффузия галлия из подложки и наличие кислородных вакансий способны существенно расширять спектральную ширину переходов эрбия, ухудшая оптические свойства материала. Оптимизация условий выращивания, включая температуру и атмосферу, позволяет снизить концентрацию кислородных вакансий и ограничить диффузию галлия, что способствует повышению когерентности и эффективности работы приборов. Выбор подложки с низкой диффузией галлия также является критически важным фактором для обеспечения стабильной и предсказуемой работы устройств, позволяя достичь минимальной ширины линии до 8 ГГц и существенно улучшить общую производительность.

Изменение ширины линии неравномерно зависит от расстояния до границы GaX-TiO2 до и после отжига δ-легированных образцов A-TiO2, что подтверждается сравнением экспериментальных и смоделированных спектров для переходов Y1→Z1 в A-TiO2 и R-TiO2.

Исследование демонстрирует, что когерентность редкоземельных ионов в гетероструктурах напрямую зависит от химии интерфейса, деформации и динамики дефектов. Подобный подход к пониманию систем, подверженных влиянию времени и внешних факторов, перекликается с мыслями Эрвина Шрёдингера: «Не существует ничего постоянного, кроме перемен». В данном контексте, поддержание когерентности — это не статичное состояние, а динамический процесс, требующий постоянного управления факторами, вызывающими декогеренцию. Как и в любом сложном механизме, поддержание оптимальной работы требует глубокого понимания взаимодействия между различными компонентами и их эволюции во времени. Понимание динамики дефектов, описанное в работе, становится ключевым для создания квантовых ячеек памяти с длительным временем когерентности.

Что дальше?

Представленная работа, как и любое исследование, скорее обозначает границы известного, нежели завершает поиск. Понимание взаимосвязи между химией интерфейса, деформациями и динамикой дефектов, безусловно, является шагом вперед в создании квантовых запоминающих устройств на основе ионов редкоземельных металлов. Однако, сама природа когерентности — хрупкая и эфемерная — диктует, что борьба с декогеренцией не будет выиграна единожды. Скорее, это непрерывный процесс адаптации к неизбежному течению времени.

Очевидно, что дальнейшие усилия должны быть направлены на разработку методов не просто минимизации дефектов, но и на освоение их контролируемого влияния. Попытки «приручить» несовершенства, превратить источник шума в фактор, модулирующий когерентность, могут оказаться более плодотворными, чем бесконечная гонка за идеальной кристаллической решеткой. Стабильность, в конце концов, может быть лишь иллюзией, отсрочкой неизбежного.

В конечном счете, успех в этой области зависит не столько от технологических прорывов, сколько от философского подхода. Все системы стареют — вопрос лишь в том, делают ли они это достойно. Изучение квантовых явлений, таким образом, становится не просто научным поиском, но и созерцанием фундаментальной природы времени и энтропии.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.19668.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-27 05:16