Квантовая магия: как обычный алмаз дарит свет

Когда-то алмазы ассоциировались лишь с роскошью и украшениями. Сегодня эти же кристаллы становятся важнейшим инструментом будущего — они способны хранить и передавать квантовую информацию. Учёные из Еврейского университета в Иерусалиме и Берлинского университета имени Гумбольдта совершили прорыв: им удалось улавливать до 80 % света, испускаемого наноалмазами, открывая путь к созданию практичных квантовых устройств.

Как алмаз превращается в источник квантового света

Обычный бриллиант прозрачен и стабилен, но если в его кристаллической решётке возникает микроскопический дефект — отсутствие атома углерода рядом с атомом азота — он начинает вести себя необычно. Такой дефект называют азотно-вакансионным центром (NV-центром). Именно эти крошечные "изъяны" делают алмаз квантовым источником света: они способны испускать отдельные фотоны — частицы, несущие квантовую информацию.

В квантовой физике одиночные фотоны — это базовый элемент, который используется для шифрования данных, квантовой связи и высокоточных сенсоров. Однако главная трудность заключалась в том, что свет от NV-центров рассеивается во все стороны, и большая часть его теряется.

"Мы знали, что алмаз может быть идеальным источником квантового света, но нам нужно было научиться собирать его без потерь", — пояснил физик Профессор Рапапорт из Еврейского университета.

Наноантенна, которая "слышит" фотон

Чтобы решить задачу, команда разработала особую гибридную наноантенну — микроструктуру, способную управлять направлением света на уровне нанометров. Она состоит из чередующихся слоёв металла и диэлектрика, выстроенных в форме мишени ("яблочка"), где центр служит точкой фокусировки.

С помощью атомно-точного позиционирования исследователи встроили наноалмаз в центр антенны — с точностью до миллиардной доли метра. В результате фотоны, которые ранее улетали хаотично, теперь направляются в нужное направление, где их можно зарегистрировать детектором.

Прорыв при комнатной температуре

До сих пор большинство экспериментов с NV-центрами требовали криогенных условий — температур, близких к абсолютному нулю. Это делало систему громоздкой и дорогой. Новый подход позволяет работать при комнатной температуре, что делает технологию ближе к промышленному применению.

"Нас восхищает то, что всё работает на простом чипе и без охлаждения. Это колоссальный шаг к интеграции квантовых источников в реальные устройства", — добавил инженер-разработчик Боаз Любоцки.

Почему это важно для квантовых технологий

Квантовые технологии развиваются стремительно, но остаются ограничены эффективностью источников света. Для передачи квантовой информации нужен стабильный поток одиночных фотонов, и каждая потеря снижает точность.

Эффективность в 80 % означает, что почти весь свет, испущенный наноалмазом, можно собрать и использовать. Это создаёт возможности для:

• Квантовых датчиков, способных измерять магнитные и электрические поля с атомной точностью;
• Квантовой связи, где фотоны несут зашифрованную информацию, устойчивую к взлому;
• Квантовых процессоров, где NV-центры выступают элементами хранения и передачи данных.

Как работает система: шаг за шагом

1. Создание наноалмаза. Кристалл выращивают искусственно, добавляя азот в структуру алмаза.
2. Формирование NV-центра. В решётке создают вакансию — "пустое место" рядом с атомом азота.
3. Встраивание в антенну. Наноалмаз помещают в центр гибридной антенны с нанометровой точностью.
4. Возбуждение лазером. Лазер активирует NV-центр, который испускает одиночные фотоны.
5. Сбор света. Антенна направляет фотоны в заданном направлении, минимизируя потери.

Мифы и правда

• Миф: квантовые устройства обязательно требуют сверхнизких температур.
  Правда: NV-центры и гибридные антенны уже работают при комнатных условиях.
• Миф: алмазы слишком дороги для технологий.
  Правда: наноалмазы синтезируются дешёвыми методами химического осаждения.
• Миф: эффективность квантовых источников света не может превышать 50 %.
  Правда: новые антенны уже достигают 80 % и приближаются к теоретическому пределу.

FAQ

Что такое NV-центр простыми словами?
Это микроскопический дефект в кристалле алмаза, который может поглощать и испускать фотоны — по сути, квантовый "световой переключатель".

Почему важно улавливать все фотоны?
Каждый фотон несёт квантовую информацию. Если он теряется, разрушается вся цепочка передачи данных.

Можно ли использовать такую технологию в квантовых компьютерах?
Да. NV-центры могут служить как "кубитами" (носителями квантовой информации) и одновременно источниками фотонов для связи между ними.

Почему используется гибридная антенна, а не обычная линза?
Антенна позволяет управлять светом на наноуровне и задавать точное направление, чего невозможно достичь линзами.

Когда технология станет коммерческой?
Исследователи прогнозируют первые прототипы квантовых сенсоров на наноалмазах в течение 3-5 лет.

3 интересных факта

1. Один NV-центр способен работать миллиарды раз без деградации структуры.
2. В одном грамме алмаза потенциально может содержаться до триллиона квантовых центров.
3. Наноалмазы устойчивы к радиации и высоким температурам, что делает их идеальными для космических квантовых систем.

Исторический контекст

Первые NV-центры были обнаружены ещё в 1950-х, но практическое использование началось только в XXI веке, когда появились технологии нанопозиционирования и точного синтеза алмазов.

В 2010-х годах их начали использовать для квантовой спектроскопии и медицинских сенсоров.
Работа из Иерусалима и Берлина стала логическим продолжением этой эволюции: впервые удалось объединить высокую эффективность сбора фотонов и простоту интеграции в чип.

Уточнения

Наноалмаз ультрадисперсный алмаз — углеродная наноструктура. Характерный размер одного нанокристалла 1÷10 нанометров. Наноалмазы, или ультрадисперсные алмазы, можно рассматривать как специфический наноуглеродный материал, входящий в семейство наноуглеродных кластеров вместе с фуллеренами, нанотрубками, нанографитом, «луковичной» формой углерода.