Ученые впервые вырастили тройные комплексы квантовых точек с заданной геометрией

Выращивать комплексы из трех квантовых точек с заранее заданным расположением — в вершинах равностороннего треугольника — научились исследователи Передовой инженерной школы Южного федерального университета. Технология была реализована впервые в мире. Получаемые системы устойчивы к шумам и легко управляемы, что открывает возможности для их применения в квантовых процессорах, квантовых симуляторах и квантовом шифровании. О достижении ученых корреспонденту «Научной России» рассказал ведущий научный сотрудник Центра коллективного пользования «Передовые технологии микро- и оптоэлектроники» и лаборатории эпитаксиальных технологий ЮФУ, доцент дивизиона «Электроника» ПИШ ЮФУ Сергей Вячеславович Балакирев.

Квантовые точки — полупроводниковые наноструктуры, за счет своих электронных свойств обладающие дискретным энергетическим спектром, подобно атомам. На практике это означает, что квантовые точки излучают свет строго определенного цвета (то есть с определенной длиной волны) в зависимости от размеров. Это перспективная основа для разнообразных полупроводниковых технологий.

«Квантовые точки используются в различных конфигурациях, например, поодиночке и в виде больших хаотичных массивов. Мы много работали и над такими структурами, — пояснил кандидат технических наук С.В. Балакирев. — Но размещение квантовых точек в вершинах равностороннего треугольника обладает особыми преимуществами. Например, если расположить три квантовые точки на одной прямой и у них будет один свободный электрон, то он будет находиться в средней квантовой точке. Если сильно упрощать, здесь можно провести параллель с тремя телами, среднее из которых нагревается от двух, расположенных по бокам. В то же время если разместить три точки по углам равностороннего треугольника, свободный электрон может находиться в любой из них. Реализуется так называемая фрустрация заряда. В результате между квантовыми точками возникает условный ток вращения, и электрон как бы перемещается между этими тремя точками одновременно и по часовой стрелке, и против нее. Таким образом, квантовые точки оказываются в состоянии суперпозиции и могут выполнять роль кубита. Это дает большие преимущества, в том числе, для реализации квантовых вычислений или клеточных автоматов (динамичных виртуальных систем из взаимозависимых элементов-клеток, используемых для моделирования сложных процессов. — Примеч. корр.)».

Помимо квантовых процессоров, подобные структуры могут лечь в основу квантовых симуляторов для моделирования сложных материалов и молекул — перспективных инструментов для разработки сверхпроводников, новых лекарств, энергоэффективных батарей. Треугольные комплексы квантовых точек могут также применяться в квантовой криптографии, а в будущем — и в квантовом интернете, где данные будут защищаться с помощью законов физики.

«Если создать большой массив подобных треугольников из квантовых точек, можно получить систему, позволяющую, например, решать задачу подбора ключей в криптографии. В отличие от классического компьютера, подбирающего комбинации последовательно, квантовый вычислитель делает это одновременно. Это напоминает то, как если бы мы залили силикон в кодовый замок и подбирали нужную механическую конфигурацию по слепку. Так можно гораздо быстрее прийти к верному решению. Условно говоря, если обычному компьютеру для решения такой задачи потребуется 10⁹ с, то квантовому — всего 9 с», — подчеркнул С.В. Балакирев.

Ранее для получения подобных структур использовалась литография. В этом случае квантовые точки формируются на подложке с применением электрических затворов, заставляющих электроны собираться в нужных местах. Это достаточно сложная технология, а у получаемых таким способом наносистем есть минусы: сравнительно слабое квантовое ограничение (то есть электроны удерживаются на своих местах не настолько хорошо, чтобы поддерживать идеальные квантовые эффекты) и недостаточно сильные оптические свойства.

Выйти на качественно новый уровень ученым ЮФУ помогла технология эпитаксиального роста. При этом подходе квантовые точки формируются и самоорганизуются прямо во время выращивания кристалла. «Направлять» их размещение позволяет заранее заданная геометрия поверхности.

«Другие коллективы формировали подобные структуры с помощью электрических затворов в общей плоскости с током. Мы же получили комплексы квантовых точек эпитаксиальным методом — то есть вырастили их в нужных местах. Благодаря этому подходу у наших систем очень сильное квантовое ограничение, ими проще управлять, они надежнее и устойчивее к шумам», — отметил С.В. Балакирев. 

Исследователи первыми реализовали новый подход благодаря уникальному сочетанию трех технологий, обычно применяемых по отдельности.

«Первый метод — это фокусированные ионные пучки, позволяющие формировать определенный рисунок на подложке. Второй — это локальное капельное травление, задающее требуемую форму углублений с тремя вершинами. Третий — эпитаксия, обеспечивающая выращивание квантовых точек. Совместив эти методы, мы смогли создать в материале пирамидальные углубления, в которых квантовые точки формируются и самоорганизуются в нужных позициях. Предварительно мы успешно отработали технологию на подложках с другой кристаллографической ориентацией, например, для получения одиночных квантовых точек, — поделился С.В. Балакирев. — За счет того, что квантовые точки самостоятельно формируются в заданных позициях, мы добились очень высокой степени их локализации — более 90%. Технология масштабируема: можно получить множество таких треугольников, на основе которых будет действовать условный миллион кубитов, позволяющий, в том числе, быстро подбирать ключи к системам шифрования».

Ученые представили результаты исследования в журнале Materials Science in Semiconductor Processing. Работа получила поддержку Российского научного фонда (грант № 23-79-10313).

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью и на странице: Никита Севастьянов / Центр общественных коммуникаций ЮФУ. 

Фото на стоп-кадре видео: Маргарита Овсянникова / Центр общественных коммуникаций ЮФУ.