Ученые по всему миру ищут способы масштабировать квантовые технологии, и одна из главных задач — создать стабильные кубиты, элементарные частицы квантовых вычислений. Пока идеального решения нет, но один материал выглядит особенно перспективно — гексагональный нитрид бора (h-BN). Это двумерная структура, в которой могут возникать одиночные фотонные излучатели (SPE) — атомные дефекты, испускающие отдельные фотоны.

Одиночный фотонный излучатель (SPE) — это микроскопический дефект в материале, который испускает фотоны по одному. Представьте лампу, которая вместо непрерывного света выдает отдельные вспышки. Такие излучатели нужны для кодирования кубитов в квантовых системах.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, группа ученых из Университета Райса, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Технологического университета Сиднея впервые получила низкошумящие квантовые излучатели в h-BN при комнатной температуре, используя масштабируемую технологию.

Метод импульсного лазерного напыления (PLD) позволил синтезировать тонкие пленки h-BN с добавлением углерода. Углерод встраивается в кристаллическую решетку, создавая дефекты, которые и становятся теми самыми SPE.

Наш подход позволяет получать стабильные источники одиночных фотонов, что критически важно для квантовых технологий, — говорит Арка Чаттерджи, постдок из лаборатории Шэнкси Хуан.

Кубиты — это аналог битов в обычных компьютерах, но в отличие от нулей и единиц, они могут находиться в суперпозиции. В классических системах информацию кодируют с помощью заряда (есть ток — 1, нет — 0), а в квантовых — с помощью фотонов. Поэтому надежные SPE крайне важны.

Раньше создать стабильные излучатели было сложно: они должны выдавать фотоны одинакового качества, без лишнего шума.

Мы предположили, что добавление углерода при росте пленки h-BN может дать нужные дефекты, — объясняет Чаттерджи.

Эксперимент подтвердил гипотезу: углеродные вкрапления создали SPE с высокой чистотой и стабильностью.

Это прорыв — теперь мы можем встраивать такие излучатели в чипы, — говорит Хуан.

Исследование решает ключевую проблему квантовых технологий — нестабильность кубитов. Если SPE в h-BN действительно можно массово производить, это ускорит создание:

• квантовых сенсоров (например, для медицинской диагностики),
• защищенных линий связи (квантовая криптография),
• фотонных процессоров.

Главное преимущество — работа при комнатной температуре. Большинство квантовых систем требуют охлаждения почти до абсолютного нуля, что делает их громоздкими и дорогими.

Авторы не проверили, как долго излучатели сохраняют стабильность в реальных устройствах. Также неясно, можно ли точно контролировать расположение дефектов в пленке — а это важно для интеграции в чипы.

Ранее ученые придумали новый способ защиты данных.