Ученые планируют перерабатывать недорогую алмазную крошку в перспективные квантовые материалы. Австралия намерена увеличить собственные возможности выпуска наноалмазов, которые в дальнейшем смогут применяться в сфере квантовых технологий.
Ирина Петрова
Австралийские исследователи работают над созданием высокоэффективного квантового материала из алмазной пыли. Источник: CSIRO
Инициатива Австралии в области квантовых технологий
Специалисты из Мельбурнского университета и австралийской Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) заключили партнерство с Японским национальным институтом квантовой науки и технологий (QST). Совместно они разрабатывают инновационные производственные методики, позволяющие трансформировать алмазный порошок низкой стоимости в эффективные материалы для квантовых устройств.
Эта инициатива, направленная на углубление компетенций Австралии в области квантовых технологий, в перспективе уменьшит зависимость страны от международных цепочек поставок квантовых компонентов.
В долгосрочной перспективе успех этой инициативы может изменить саму структуру мирового квантового рынка. Вместо дорогих и редких материалов, производимых в единичных лабораториях, появятся доступные и стандартизированные квантовые компоненты, которые можно будет интегрировать в повседневную электронику — от смартфонов до автомобильных сенсоров.
Австралия, начавшая этот путь с недорогого алмазного порошка, вполне может стать одним из глобальных поставщиков материалов для квантового будущего, обеспечив себе технологический суверенитет и стратегическое преимущество на десятилетия вперед.
Необходимы материалы для квантовых компьютеров
Сейчас популярны термины вроде «искусственный интеллект», однако технологией, определяющей будущее, являются квантовые вычисления. Квантовые системы способны кардинально изменить современный мир — от вычислительных задач до сенсорики. Обнаружение угроз, глобальная навигация, выявление биомаркеров, вычисления с невероятной скоростью — квантовая эпоха обещает полную трансформацию нашей реальности.
Однако ключевым препятствием на пути к такому будущему остается рабочая температура квантовых устройств. Большинство приложений требуют экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю (-273°C). Обеспечить такие условия в повседневной эксплуатации почти невозможно. Поэтому исследователи ищут квантовые материалы, функционирующие при комнатной температуре. Одним из таких материалов является алмаз.
Что представляет собой квантовый алмаз?
На молекулярном уровне алмазы состоят из кристаллической решетки углеродных атомов. Каждый углеродный атом в алмазе соединен с четырьмя другими такими же атомами. Квантовые алмазы — это особый случай, когда в структуре присутствуют дефекты на атомном уровне.
Эти дефекты не возникают естественным путем, их создают специально. Один из наиболее распространенных дефектов — азотно-вакансионный центр (NV-центр). В этом случае один атом углерода заменяется атомом азота, а соседний атом углерода отсутствует, образуя вакансию.
NV-центры можно применять для квантового зондирования, измеряя магнитные и электрические поля, температуру и другие параметры. Однако создание таких центров в алмазах — сложный и затратный процесс. Если же использовать алмазную пыль, она сохраняет те же свойства, что и цельный алмаз, но требует менее дорогого сырья.
Новая глава в истории квантовых технологий
Австралийский подход к переработке алмазной крошки в квантовые материалы открывает новую главу не только для национальной науки, но и для глобальной индустрии квантовых технологий.
Если традиционно квантовые системы требовали дорогостоящих монокристаллов алмаза, процесс изготовления которых сложен и энергоемок, то использование алмазного порошка — побочного продукта горнодобывающей и обрабатывающей промышленности — кардинально меняет экономику производства.
Низкая стоимость сырья в сочетании с инновационными методами создания NV-центров на поверхности каждой микрочастицы позволяет на порядок удешевить финальные квантовые сенсоры и устройства. Это может стать толчком к коммерциализации квантовых технологий, сделав их доступными не только для крупных лабораторий, но и для небольших стартапов и медицинских учреждений.
Особый интерес представляет возможность использования таких наноалмазов в биомедицинской сенсорике. Благодаря малым размерам и способности стабильно работать при комнатной температуре, квантовые наноалмазы могут быть внедрены в живые клетки для измерения локальных температурных полей или магнитных сигналов от отдельных молекул. Это открывает перспективы для ранней диагностики онкологических заболеваний, мониторинга нейронной активности и создания сверхчувствительных биосенсоров нового поколения.
Если австралийским исследователям удастся надежно закрепить NV-центры вблизи поверхности каждой частицы и подтвердить их стабильность, такие наноалмазы могут стать ключевым элементом носимой квантовой электроники — приборов, которые человек сможет носить на запястье или даже имплантировать в организм.
Однако основная научная задача на ближайшие годы — добиться однородности и воспроизводимости свойств наноалмазов. В отличие от монокристаллов, алмазный порошок имеет широкий разброс по форме, размеру и внутренним дефектам, и не каждая частица подходит для создания качественного NV-центра.
Исследователям предстоит разработать протоколы сортировки и модификации поверхности, чтобы каждый микроалмаз вел себя предсказуемо. Если это удастся, технология переработки крошки станет масштабируемой и сможет обеспечить промышленные объемы материала для квантовых сенсоров, что окончательно утвердит алмазную крошку как стратегический ресурс новой эпохи.
Австралия наращивает компетенции и повышает независимость
Хотя квантовые технологии — это будущее, их развитие в конкретной стране напрямую зависит от доступа к специальным материалам и производственному опыту. Австралия ставит цель разработать масштабируемый метод получения алмазов квантового качества из местных ресурсов.
Сотрудничество с японским QST открывает австралийским исследователям доступ к оборудованию и позволяет тестировать новые производственные подходы, обеспечивая технологическую независимость в преддверии квантовой эры. В условиях нестабильности глобальных цепочек поставок австралийские ученые работают над снижением рисков для стартапов и промышленности в будущем за счет развития внутреннего потенциала.
Стратегическое партнерство с Японией также играет важную роль в геополитике квантовых технологий. Австралия, обладая богатыми месторождениями алмазов и развитой горнодобывающей инфраструктурой, стремится замкнуть полный цикл — от добычи сырья до создания готового квантового компонента.
В условиях растущего напряжения в глобальных цепочках поставок полупроводников и редкоземельных металлов, независимость в производстве квантовых материалов становится вопросом национальной безопасности.
Сотрудничество с QST позволяет австралийцам не только получить доступ к уникальному оборудованию для имплантации ионов и визуализации дефектов, но и обмениваться опытом в области метрологии, что ускоряет выход на мировой рынок.
В ближайшей перспективе исследователи сфокусируются на повышении стабильности и эффективности квантовых наноалмазов, а также на размещении NV-центров как можно ближе к поверхности материала. Наноалмазы предстоит проверить на устойчивость и сенсорные характеристики, что дополнительно подтвердит CSIRO.
Если этот метод удастся масштабировать, он позволит Австралии превращать собственную алмазную крошку в высокоэффективные квантовые материалы для будущих разработок.
Как не раз подчеркивалось в публикациях нашего журнала, квантовый ИИ — перспективный инструмент для научных исследований в различных сферах. Так, мы информировали, что с помощью квантовых вычислительных систем было выполнено моделирование белков, содержащих 12 000 атомов, на основе 94 кубитов. Гибридные квантово-классические платформы обеспечивают более точное воспроизведение структуры белков.