От квантовых точек добились стабильности

Так выглядят ансамбли из квантовых точек под электронным микроскопом.
Источник: aip.ru

Ученые уже давно обсуждают возможность создания так называемых квантовых компьютеров, переносчиком информации в которых был бы не электрон, способный пребывать лишь в двух состояниях 0 и 1, а свет, лучи которого практически не взаимодействуют – не интерферируют – друг с другом. На пути к этой вожделенной мечте много препятствий, которые в самое последнее время вдруг стали худо-бедно преодолеваться.

Речь прежде всего идет о ставших весьма модными квантовых точках, или «кубитах» (Quantum bits – Qbits), имеющих много переходных состояний между 0 и 1. Кубиты – это полупроводниковые крупинки, наноструктуры, легко возбуждаемые любыми изменениями магнитного поля. Их часто делают из арсенида индия, то есть соединения мышьяка с этим металлом.

Основная проблема при создании квантового компьютера – утеря когерентности, или, по-другому, сходства свойств под воздействием внешних факторов. Возникающая при этом декогерентность нарушает «память» квантовых точек, то есть уничтожает ту информацию, которую ей «доверили» хранить. И вот ученые научились блокировать взаимодействие магнитных полей электронов и ядра, освещая квантовые точки лазером.

Энергия светового луча, согласно законам квантовой физики, позволяет электрону перейти на более высокий уровень, в результате чего на месте его прежнего «проживания» образуется дырка (hole). Она также имеет магнитное поле, за счет которого обретает способность в определенной степени контролировать магнитное поле ядра. Таким образом, хаотичное внешнее воздействие заменяется на хорошо контролируемый лазерный луч. Контроль позволил увеличить стабильность квантовой точки в 1000 раз! Подобного не удавалось получать еще никому. Статья ученых из Мичиганского университета в г. Энн-Арбор (США), опубликованная в журнале Nature, называлась довольно многообещающе: «Оптически контролируемое ядерное поле посредством когерентного темного состояния».

Китайские ученые из Университета науки и технологии в г. Хефее и Гонконге также сумели сохранить когерентность в твердом веществе, несмотря на внешний «шум». Для этого они воспользовались не лазером, а импульсами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). С их помощью когерентность поддерживалась в кристаллах малоновой кислоты при температурах от 50 градусов Кельвина вплоть до комнатной. Время когерентного состояния было продлено до 30 микросекунд, что в 1000 раз больше, чем в отсутствие импульсов. Теперь они работают с алмазами, в которых имеются так называемые азотные вакансии, образующиеся в результате замены одного из углеродов атомом азота. Эксперты полагают, что подобный подход заложит основы теории контроля квантовой когерентности спинов в твердых телах при комнатной температуре, тем самым приблизив воплощение мечты о создании квантового компьютера.

Но тем не менее нынешние компьютеры еще долго будут быстрее квантовых, однако перспективы последних завораживают. Вопрос только – как справиться с декогеренцией, не оставляющей камня на камне от всего этого великолепия. Самое удивительное, что пока ученые до конца не понимают, почему она так быстро возникает. Пока охлаждение почти до нуля Кельвина позволяет уверенно гасить «шум», но не продавать же компьютеры с трейлерами-рефрижераторами! Впрочем, не будем забывать, что первые ЭВМ занимали гигантские площади именно из-за необходимости держать при них охлаждающее оборудование.

Выше уже говорилось о квантовых точках, представляющих собой полупроводниковые нанокристаллы. Они известны довольно давно, но никто не мог придумать, как их использовать, поскольку точки все время «моргали». Вместе с тем эти флюоресцирующие нанокристаллы могли бы великолепно послужить в той же клеточной биологии для «освещения» происходящих в цитоплазме процессов. Сейчас для этого используются дорогостоящие и токсичные светящиеся белки других организмов, например одной из медуз.

Интенсивность свечения квантовых точек в 100–1000 раз превышает белковую. К сожалению, свечение нанокристаллов продолжается всего несколько десятков миллисекунд, что ниже скорости реакции человека (как минимум 150–200 мсек). Сотрудникам Рочестерского университета в штате Нью-Йорк удалось создать квантовые точки на основе нанокристаллов, которые совершенно не «моргают». Сердцевину кристалла составляет сплав кадмия, цинка и селена (СdZnSe), знаменитых тем, что легко отдают свои электроны.

Используя данное свойство этой тройной системы, удалось создать светящийся нанокристаллический комплекс, который используется в качестве прекрасной метки, позволяющей следить под микроскопом за теми процессами, в которых данный биомаркер принимает участие. Представим себе появление нежелательной микрофлоры в залежавшемся на магазинных полках продукте: нанометки сразу же начнут реагировать свечением, предупреждая о подстерегающей потребителя биологической опасности. Но светящиеся квантовые точки найдут свое применение не только в биологии и мечении молекулярных комплексов.

Способность квантовых точек испускать электроны под действием падающего на них света может найти свое применение в ячейках солнечных батарей. В то же время полупроводниковый нанокристалл испускает также фотоны, что позволит создавать на его основе нанолазер, который вполне можно использовать и при создании световых компьютеров, которые по своим возможностям могут и не уступать квантовым.

Еще одна из многочисленных областей применения квантовых точек, имеющих диаметр 5–7 нанометров (!), – производство знаменитых «ледов», или свето-эмиссионных диодов (LED – Light-Emission Diod). В наших магазинах уже появились корейские телевизоры, созданные с помощью этих диодов, толщина которых не превышает 2 см. Подобные дисплеи пока еще дороги, поэтому их невыгодно использовать в тех же ноутбуках. Но со временем можно представить себе оптические компьютеры с диодными дисплеями, которые почти не будут потреблять энергии и уж тем более греться, не говоря уже о скорости загрузки и необычайных объемах памяти┘