Российские ученые научились выращивать наноструктуры для квантовых технологий

МОСКВА, 16 июня./ТАСС/. Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) впервые продемонстрировали эпитаксиальное формирование комплексов из трех квантовых точек в строго заданной треугольной геометрии. Такие наноструктуры могут стать основой для элементов квантовых компьютеров, квантовых симуляторов, фотонных интегральных схем и источников запутанных фотонов для квантовых технологий, сообщили в пресс-службе ЮФУ.

"В таких работах важно то, что впервые удалось совместить два обычно конфликтующих подхода: точную геометрию, заданную технологией обработки поверхности, и последующую самоорганизацию квантовых точек при эпитаксии. По сути, это попытка получить "полуручное" управление квантовой архитектурой - когда ты не вырезаешь структуру литографией, а задаешь ей условия, в которых она сама собирается нужным образом", - приводятся в тексте слова кандидата технических наук, ведущего научного сотрудника ЦКП "Передовые технологии микро- и оптоэлектроники" и НИЛ эпитаксиальных технологий, доцента дивизиона "Электроника" ПИШ ЮФУ Сергея Балакирева.

Квантовые точки представляют собой нанометровые полупроводниковые объекты, в которых электроны удерживаются в очень малом объеме. Из-за этого их энергетический спектр становится дискретным, как у атомов. Такая особенность напрямую влияет на оптические свойства материала: квантовая точка может излучать свет строго определенной длины волны, а ее параметры можно настраивать за счет размера самой структуры.

Как отмечают ученые, для перспективных полупроводниковых устройств будущего важны не хаотичные массивы большого числа квантовых точек, а небольшие комплексы с заранее заданным расположением. Особый интерес вызывают структуры из трех точек, размещенных в вершинах равностороннего треугольника. В такой геометрии могут возникать эффекты фрустрации зарядового распределения и управляемые квантовые связи между кубитами. Это важно для логических операций, квантовых симуляторов и обработки квантовой информации.

Ранее такие структуры в основном создавали с помощью литографии. При этом на поверхности материала формировался сверхтонкий шаблон, а затем электрические затворы заставляли электроны собираться в нужных местах, образуя квантовые точки. Этот метод широко применяется, однако имеет ограничения: сравнительно слабое квантовое ограничение, недостаточно выраженные оптические свойства и сложную технологию изготовления.

Исследователи из лаборатории эпитаксиальных технологий ПИШ ЮФУ предложили другой подход. Квантовые точки формируются и самоорганизуются прямо в процессе выращивания кристалла, а заранее заданная геометрия поверхности направляет их расположение. Это позволяет получать устойчивые тройные комплексы с высоким структурным качеством и выраженными квантовыми эффектами.

Точность метода

Отдельно ученые отмечают высокую селективность формирования таких структур: до 93% квантовых точек оказываются в целевых позициях. Этот показатель важен для масштабирования технологии, поскольку будущие квантовые устройства требуют не единичных удачных образцов, а воспроизводимого получения наноструктур с заданной архитектурой.

Практическое применение

Разработка может быть использована при создании масштабируемых квантовых процессоров, где кубиты должны взаимодействовать строго определенным образом. Кроме того, такие структуры могут применяться в квантовых симуляторах для моделирования сложных молекул и материалов, что важно для разработки новых лекарств, сверхпроводников и эффективных батарей. Источники запутанных фотонов на основе подобных комплексов также рассматриваются как основа для квантовой криптографии и будущего квантового интернета.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда №23-79-10313 и опубликовано в журнале Materials Science in Semiconductor Processing.