Двумерные материалы открывают новые возможности для квантовых терагерцовых устройств следующего поколения

Схематическая иллюстрация квантовых терагерцовых (ТГц) кубитов и излучателей на основе дефектов в двумерных (2D) материалах. Чёрные уровни энергии представляют триплетные спиновые состояния (S = 1), а серый уровень энергии представляет синглетное спиновое состояние (S = 0). Эти состояния обозначены как основное состояние (GS), возбуждённое состояние (ES) и промежуточное состояние (IS). На рисунке показана возможность резонансного оптического управления (жёлтые стрелки) для спинового ТГц-кубита и использование межсистемного пересечения (синие стрелки) для управления населённостью спиновых подуровней для квантового излучателя. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c06007

Учёные из Национального университета Сингапура (NUS) обнаружили, что атомарные примеси в ультратонких двумерных материалах могут выступать в качестве стабильных квантовых систем, работающих на терагерцовых частотах.

Результаты, опубликованные в журнале ACS Nano, открывают новые возможности для реализации высокотемпературных спиновых кубитов и ТГц-источников одиночных фотонов.

Квантовые дефекты и спиновые кубиты

Несовершенства, или дефекты, в 2D-материалах — не всегда недостаток. На самом деле, определённые дефекты могут служить крошечными квантовыми системами. Некоторые из этих квантовых дефектов обладают свойством, называемым триплетным спиновым состоянием, что делает их пригодными для использования в качестве спиновых кубитов.

Спиновые кубиты — это основные строительные блоки квантовых компьютеров. В большинстве известных систем разность энергий между спиновыми состояниями, известная как расщепление в нулевом поле (ZFS), обычно лежит в микроволновом (гигагерцовом) диапазоне. Хотя микроволновая технология хорошо развита, кубиты, основанные на микроволнах, как правило, легче теряют свои квантовые свойства при комнатной температуре.

Значение терагерцовых частот

Терагерцовые частоты находятся между микроволнами и инфракрасным светом. До недавнего времени этот диапазон был известен как «терагерцовая щель», потому что было сложно генерировать и детектировать ТГц-сигналы. Однако быстрый прогресс, отчасти вызванный интересом к будущим технологиям связи 6G, привёл к созданию гораздо более совершенных и надёжных ТГц-источников и детекторов.

Квантовые дефекты с большим ZFS потенциально могут привести к созданию спиновых кубитов, которые будут более устойчивыми и смогут работать с высокой надёжностью при более высоких температурах по сравнению с традиционными кубитами, работающими в микроволновом режиме.

Методы исследования и ключевые выводы

Исследовательская группа под руководством доцента Су Инг Квек с факультета физики NUS использовала первопринципные высокопроизводительные симуляции для изучения 50 различных систем на основе 2D-материалов, созданных путём добавления атомов переходных металлов в монослои дисульфида молибдена (MoS₂) и диселенида вольфрама (WSe₂).

Они идентифицировали несколько стабильных триплетных спиновых дефектов с исключительно большими значениями ZFS в терагерцовом диапазоне. Это большое энергетическое расщепление в первую очередь обусловлено сильной связью между спином и окружающей атомной структурой, известной как спин-орбитальное взаимодействие.

Последствия для будущих квантовых технологий

Аспирант исследовательской группы Цзинда Чжан сказал: «Эти результаты предоставляют наглядные примеры твёрдотельных систем с дефектами, которые потенциально могут содержать спиновые кубиты, способные эффективно функционировать при более высоких температурах в терагерцовом режиме. Атомарно тонкая природа этих систем также облегчает интеграцию с нанофотонными структурами для будущих квантовых терагерцовых технологий, которые могут охватывать всё — от ТГц-спиновых кубитов до ТГц-источников одиночных фотонов».

Профессор Квек добавила: «Значимость этой работы в том, что она соединяет два различных научных сообщества — физику квантовых дефектов и терагерцовую фотонику. Большая часть современных исследований спиновых кубитов сосредоточена на микроволнах, но наши результаты показывают, что изучение терагерцового режима может открыть путь к новым и мощным квантовым технологиям».

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как фундаментальная наука о материалах прокладывает путь для прикладных технологий будущего. Перенос кубитов в терагерцовый диапазон может стать тем самым прорывом, который позволит приблизить создание практичных квантовых компьютеров, работающих не в экстремальном холоде, а при более доступных температурах. Связь с развивающейся терагерцовой фотоникой для 6G делает эту работу особенно актуальной.