ПОДПИСИ: Анна Эттлин

Безопасные, эффективные и устойчивые квантовые технологии на основе углерода – таково видение проекта CarboQuant. При поддержке Фонда Вернера Сименса и Швейцарского национального научного фонда (SNSF) исследователи Empa исследуют квантовые эффекты в углеродных наноструктурах. 30 января 2025 года в Empa состоялось торжественное открытие новой высокотехнологичной лаборатории.

Исследования в новой лаборатории сосредоточены в первую очередь на так называемых нанографенах и графеновых нанолентах: кусочках двумерного углеродного материала графена, которые имеют размер всего в несколько атомов. Эти специальные молекулы были синтезированы всего несколько лет назад, многие из них в nanotech@surfaces лаборатории Empa. Их структура может быть точно определена с точностью до одного атома, что позволяет целенаправленно внедрять различные квантовые эффекты. Исследователи Empa хотят использовать такие нанографены для производства новых датчиков, коммуникационных технологий или компонентов для квантовых компьютеров.

Управление квантовым магнетизмом

Сердцем новой лаборатории CarboQuant являются два современных сканирующих туннельных микроскопа. Сканирующая туннельная микроскопия, изобретенная в Швейцарии в начале 1980-х годов, использует электрический ток и квантовую физику, чтобы сделать отдельные атомы видимыми. С помощью новых устройств исследователи Empa могут не только видеть свои молекулы нанографена, но и управлять их квантовыми состояниями. Высокочастотное микроволновое излучение позволяет манипулировать отдельными так называемыми спинами – разновидностью квантового магнетизма, которым обладают электроны и другие частицы, и который может проявляться и в некоторых нанографенах.

Спин считается особенно перспективным физическим свойством для квантовых вычислений и других технологий. В простейшем случае у него есть два основных состояния, «вверх» и «вниз» — аналогично классическому компьютерному биту, который может быть 1 или 0. Основное отличие заключается в том, что квантовые эффекты позволяют накладывать два состояния, так что спин может принимать любую комбинацию «вверх» и «вниз». Именно эта неопределенность должна сделать квантовые компьютеры и другие квантовые технологии такими мощными, если мы преуспеем в их понимании и контроле.

Понять и реализовать

Это именно то, что исследователи Empa намереваются сделать в новой лаборатории CarboQuant. Это ставит их на передний край науки. «Сканирующая туннельная микроскопия с электронным спиновым резонансом стала использоваться для манипуляций со спинами только в последние десять лет, и в основном для отдельных атомов», — говорит Роман Фазель, соруководитель CarboQuant и руководитель nanotech@surfaces.

Чтобы впервые применить эту новую технологию к нанографенам, компании CarboQuant удалось нанять одного из немногих экспертов в мире: южнокорейский исследователь Юджон Пэ возглавил новую исследовательскую группу Empa по квантовому магнетизму. «Комбинируя микроволновые технологии со сканирующей туннельной микроскопией, мы можем обнаруживать и контролировать любое состояние суперпозиции спинов когерентным образом. Это когерентное управление лежит в основе квантовых технологий. Мы стремимся впервые продемонстрировать этот квантовый контроль в нанографенах», — объясняет исследователь.

Работа с материалами на основе углерода дает решающее преимущество: «В то время как отдельные атомы имеют только один спин, нанографены позволяют создавать несколько связанных спинов», — говорит Пэ. Заставить несколько спинов «разговаривать» друг с другом — решающий шаг на пути к функционирующим квантовым технологиям — ведь один бит не делает компьютер.

Для этого по-прежнему требуются две большие машины из нержавеющей стали в лаборатории со сверхвысокими вакуумными камерами, сильными магнитными полями и гелиевыми баками, которые охлаждают их почти до абсолютного нуля. «В долгосрочной перспективе мы хотим иметь квантовые устройства, которые работают за пределами этих высокотехнологичных систем, возможно, даже в условиях окружающей среды, например, для оптических эффектов», — говорит Оливер Грёнинг, соруководитель CarboQuant и заместитель руководителя nanotech@surfaces.

Однако сначала исследователям необходимо понять квантовые эффекты и научиться ими управлять. Таким образом, первая, ближайшая цель проекта — это платформа для материалов, своего рода инструментарий для исследования квантовых материалов на основе углерода и их свойств. С открытием новой лаборатории исследователи значительно приблизились к этой цели.

КарбоКвант

Проект CarboQuant компании Empa направлен на разработку наноструктур на основе углерода с точно контролируемыми квантовыми эффектами для использования в электронных компонентах, работающих при комнатной температуре. Цель состоит в том, чтобы построить технологическую платформу и усовершенствовать методы характеризации• Продвижение фундаментального понимания и практического применения этих наноматериалов. Проект CarboQuant рассчитан с 2022 по 2032 год при поддержке Фонда Вернера Сименса.