Добавление тяжёлого водорода сделало кремний пригодным для квантового интернета

Почему T-центры в кремнии не работали, а с дейтерием работают — честный разбор

Кремний — основа современной микроэлектроники. Но для квантовой оптики он долго оставался «серой зоной». Причина — в дефектах кристаллической решётки, которые ведут себя как источники одиночных фотонов. Один из таких дефектов — T-центр — раньше считался почти бесполезным. Его квантовая эффективность не дотягивала и до 20%. Остальная энергия просто уходила в тепло. Теперь группа исследователей показала, как сделать эти центры почти идеальными — за счёт замены одного атома.

Что такое T-центр и почему он теряет энергию

T-центр — это не добавка, а дефект. В идеальном кристалле кремния — только атомы Si. Но если в решётку попадают два атома углерода и один водорода, возникает локальный «узел», способный испускать фотоны. Проблема в том, что после возбуждения большая часть энергии тратится на колебания атомов — это безызлучательный распад. Атомы вибрируют, энергия рассеивается, фотона нет. Именно этот канал потерь и ограничивал эффективность T-центров ниже 20%.

Между тем, излучаемый фотон попадает в телекоммуникационный O-диапазон — тот самый, что используют оптоволоконные сети. Это делает T-центры потенциально идеальными для квантовой передачи данных. Если бы удалось подавить потери.

Дейтерий — не просто замена, а ключ к 98%

Исследователи из международной группы (с участием немецкого проекта «Авогадро») взяли сверхчистый кремний — с минимальным количеством примесей, чтобы исключить лишние помехи. И заменили водород в T-центре на дейтерий. Дейтерий — это изотоп водорода, атом которого вдвое тяжелее. Более тяжёлый атом снижает энергию колебаний связи углерод-водород. Это подавляет безызлучательный распад.

Измерения проводили при температуре ниже 4 К — в жидком гелии. Результаты впечатляют: время жизни возбуждённого состояния выросло в 5,4 раза. А количество циклов «возбуждение — излучение» до необходимости перезагрузки увеличилось в 300 раз. Это позволяет однократно считывать электронный спин — ключевая операция для квантовых вычислений.

Главная цифра: квантовая эффективность подскочила с менее 20% до 90–98%. Фактически каждый акт возбуждения теперь почти гарантированно рождает фотон.

Сравнение: было и стало

Замена одного атома водорода на дейтерий — это как сменить лёгкую гитарную струну на тяжёлую: амплитуда колебаний падает, звук становится чище. Только здесь «звук» — фотон, а «чистота» — эффективность.

Что это даёт на практике и что дальше

Компания Photonic Inc уже интегрирует дейтерированные T-центры в свои разработки. Речь идёт о создании квантовых ретрансляторов — устройств, которые позволят передавать квантовое состояние на тысячи километров без потери информации. Пока квантовый интернет — это лабораторные эксперименты, но такие прорывы приближают коммерческое применение.

Личное наблюдение автора: недавно я разговаривал с физиком из одного университета, и он упомянул, что изотопное замещение — старый трюк, но в кремнии его долго не применяли из-за сложности изготовления сверхчистых образцов. Проект «Авогадро» как раз решил эту проблему — их кремний настолько чист, что в нём можно изучать единичные дефекты. И вот результат.

Следующий шаг — изучение всех возможных изотопных конфигураций T-центра. Учёные хотят понять, как именно колебательная структура связана с оптическими свойствами. Возможно, патентуют ещё более эффективные варианты.

Три главных вывода из исследования

• Замена водорода на дейтерий в T-центре кремния повышает квантовую эффективность с <20% до 90–98%.
• Безызлучательный распад почти полностью подавлен за счёт снижения колебательной энергии.
• Технология уже коммерциализируется — Photonic Inc использует её для квантовых коммуникаций.

Резюме от автора

Раньше T-центры в кремнии считались тупиковой ветвью для квантовой фотоники. Слишком много потерь, слишком мало толку. Оказалось, что достаточно заменить водород на дейтерий — и эффективность взлетает до 98%. Это не просто научный курьёз, а реальный шаг к квантовому интернету. И да, такие результаты становятся возможными, когда фундаментальная физика встречается с инженерной смекалкой.