"Искусственные атомы" , "искусственные кристаллы" , - в этом ряду естественно было бы видеть и "искусственные молекулы". Такие объекты существуют и активно исследуются как возможная элементная база для квантовых компьютеров.

Рис.1. Схематическое изображение "искуственной молекулы": черным показаны два наноостровка InAs в соседних слоях квантовых точек, разделенных расстоянием d, стрелкой обозначено направление роста полупроводниковой гетероструктуры

Полупроводниковые квантовые точки , иногда именуемые "искусственными атомами", представляют наноразмерные островки одного полупроводника в матрице другого; эти объекты обладают дискретным (квазиатомным) энергетическим спектром. Продолжая аналогию с искусственными атомами, можно назвать две связанные в квантово-механическом смысле квантовые точки "искусственной молекулой". Для того, чтобы получить искусственные молекулы из квантовых точек, необходимо вырастить два близко расположенных слоя квантовых точек. В выращенных таким образом полупроводниковых структурых наблюдается корреляция в расположении квантовых точек в соседних слоях (рис.1). Из-за того, что при малых расстояниях волновые функции электронов (дырок), локализованных в соседних квантовых точках (наноостровках), перекрываются, происходит расщепление энергетических уровней, обусловленное обменным взаимодействием (чем ближе друг к другу расположены квантовые точки, тем расщепление больше).

Чем может быть интересна такая система с точки зрения практических приложений? Одна из возможных реализаций квантового компьютера может быть построена на оптических методах манипуляции с локализованными в молекулах из квантовых точках экситонами (эситон - это связанное состояние электрона и дырки). Молекула из квантовых точек в локализованными в ней носителями заряда должна служить основным элементом квантовой логики - квантовым битом (кубитом). Выгодность использования квантовых точек в качестве "строительного материала" для квантовых компьютеров связана, в частности, с тем, что с практической точки зрения наибольший интерес представляют именно "твердотельные" реализации кубитов, поскольку они могут быть наиболее легко интегрированы в реальные многокубитовые вычислительные устройства путем использования хорошо развитых методов нанотехнологии.

Но, прежде чем дойдет до создания работающих устройств, необходимо преодолеть множество трудностей. Например, квантовые точки (наноостровки), в отличие от атомов естественных, отнюдь не абсолютно идентичны (несколько отличаются размерами и, соответственно, положением уровней энергии). А время жизни экситона в квантовой точке весьма ограничено (экситоны в принципе существует в течении конечного времени, после чего происходит рекомбинация электрона и дырки). Для выполнения же квантовых вычислений необходимо, чтобы задействованные квантовые состояния обладали не просто достаточно большим временем жизни, но и достаточно большим временем когерентности . Время жизни экситонов в квантовых точках в наиболее хорошо изученной системе InAs/GaAs порядка наносекунды. Однако вследствие того, что в твердых телах электронные возбуждения взаимодействуют как с кристаллической решеткой, так и между собой, волновая функция "забывает" свою начальную фазу (т.е. происходит декогерентизация) быстрее. Для реализации квантовой логики требуется, чтобы время потери фазовой когерентности было много больше характерного времени выполнения отдельных квантовых операций.

Как показывают эксперименты, время, необходимое для совершения одной квантовой операции в таких структурах, порядка одной пикосекудны (1 пс = 10^-12 с), т.е. примерно на три порядка меньше времени жизни экситона. Эксперименты с отдельными квантовыми точками показывают, что время потери фазовой когерентности может быть сопоставимо со временем жизни (правда, необходимо сделать важную оговорку - при низких, порядка 5 K, температурах). Результат обнадеживающий, но есть одно "но" - необходимо знать эти времена не для отдельных квантовых точек, а для молекул из квантовых точек. Соответствующие исследования "искусственных молекул" были учеными из Германии и Канады [1].

Рис.2. Спектр фотолюминесценции структуры с отдельным слоем квантовых точек InAs/GaAs (single layer) и двумя близко (на расстоянии 5 нм) расположенными слоями квантовых точек (QDM). Сплошной линией и пунктиром показаны спектры люминесценции при различной плотности мощности фотовозбуждения; при более высокой плотности мощности в спектре проявляются не только переходы между основными уровнями размерного квантования электронов и дырок. На нижнем рисунке показан спектральный профиль лазерного фемтосекундного (длительностью 100 фемтосекунд) лазерного импульса, использованного для определения времен фазовой релаксации.

Учеными была изготовлена серия структур, содержащих два близко расположенных слоя квантовых точек InAs в GaAs, с различающихся расстоянием между слоями (от 5 до 16 нм), а также структура, содержащая отдельный слой квантовых точек, выращенных в идентичных условиях (для сравнения). Квантовые точки имели форму "блинчиков" InAs в матрице GaAs (с радиусом 8 - 12 нм и высотой 1 - 2 нм, см. рис.1). На рис. 2 показаны спектры люминесценции отдельного слоя квантовых точек (single layer) и двух близко выращенных слоев квантовых точек (QDM). Из-за того, что размеры квантовых точек различаются, энергия фотона, испукаемого при рекомбинации электрона и дырки, меняется от одного "искусственного атома" к другому. В результате спектр люминесценции всей структуры представляет собой суперпозицию множества линий излучения отдельных квантовых точек, и ширина суммарной линии излучения структуры составляет десятки мэВ (для отдельного слоя квантовых точек полная ширина линии на полувысоте составляет 37 мэВ). В структуре, содержащей "слой молекул" из квантовых точек (два слоя квантовых точек, отстоящих друга от друга на 5 нм) происходит расщепление линии люминесценции, причем величина расщепления (23 мэВ) сопоставима с неоднородной шириной линии (37 мэВ).

Ученые методом четырехволнового смешения определили время потери фазовой когерентности для структур с отдельными и двойными слоями квантовых точек. Для структур с молекулами квантовых точек (при расстоянии между слоями 6 нм) время фазовой релаксации составило 340 пс, что несколько меньше, чем в случае отдельных квантовых точек (590 пс), однако все еще "вполне достаточно". Стоит, правда, повториться - речь идет о низких температурах (5 К), с ростом температуры (измерения проводились в температурном диапазоне 5 - 60 K) время декогерентизации быстро падает.

1. P.Borri, W.Langbein, U.Woggon et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 267401 (2003).

Е.Онищенко.