Квантовый компьютер из алмаза

В совместной лаборатории ФИАН и Российского квантового центра (RQC) создана модель квантового компьютера на алмазе. 

Квантовая механика является одним из основных столпов современных физических исследований. Элементарные частицы и микроэлектроника давно живут по квантовым законам мира. Квантовая механика начинает работать при размере действия, сравнимом с постоянной Планка. Большую актуальность получили так называемые новые науки, находящиеся на стыке квантовой механики и информатики, такие как квантовая теория информации и информатики. Классическая информация представлена в битах вида 0 и 1. В квантовой же теории информации ячейкой памяти является кубит, который хранит в себе суперпозицию состояний 0 и 1.

Сотрудники лаборатории газовых лазеров ФИАН – Сергей Кудряшов, Алексей Левченко, Леонид Селезнев, и Дмитрий Синицын с помощью воздействия на алмаз излучением фемтосекундного лазера, смогли создать в нем повышенную концентрацию вакансий (дефектов в решётке алмаза, где отсутствуют атомы углерода). Комментирует научный сотрудник ФИАН Алексей Левченко:

«Обычно вакансии создаются с помощью электронных пучков или пучков любых высокоэнергичных частиц. Такой метод даёт однородную концентрацию вакансий по всему объёму образца. С помощью же фемтосекундного лазера, напротив, можно добиться аналогичного но локального эффекта – маленькими кластерами вакансий нарисовать требуемую "картинку".»

Потом эти вакансии могут связаться с примесными атомами азота, присутствующими обычно в объеме алмаза в значительных концентрациях, и образовать так называемый NV-центр (nitrogen-vacancy center) – очень «полезный» для алмазной маркировки дефект. Дело в том, что при облучении видимым светом NV-центры начинают характерно флуоресцировать, а приложение внешнего СВЧ-поля способно ещё и менять интенсивность этой флуоресценции.

«В алмазе могут быть и другие примеси, которые светятся под действием внешнего излучения (розовые, жёлтые, голубые алмазы), поэтому, включая СВЧ поле, мы сможем увидеть на фоне всех эти шумов наш изменяющийся сигнал. Если создать невидимый микрокластер NV-центров – за счёт острой фокусировки в объёме буквально вплоть до микрона, то впоследствии можно прочитать метку нашего алмаза по флуоресценции в СВЧ-поле – Алексей Левченко.

В совместной лаборатории ФИАН и российского квантового центра проводится изучение центров окраски алмаза, NV-центров. Но что такое NV-центр? Давайте рассмотрим матрицу углерода (алмаза) в котором вместо одного углерода в атоме подставлен атом азота (жёлтые алмазы жёлтые из-за примеси азота), а соседний атом отсутствует. Получившаяся система называется NV центром или центром окраски. Соответственно N-азот, а V-вакансия. У этого центра окраски имеется ось. Проекция спина электрона на эту ось сохраняется и может служить кубитом. Этот спин является суммарным спином всех электронов, задействованных в этой вставке. Соответственно этот спин мы и можем использовать в качестве квантовой памяти.

Мощная лазерная установка «ПИКО» для проведения исследований по взаимодействию лазерного излучения наносекундного и пикосекундного диапазона длительностей с веществом. Слева направо: Михайлов Ю.А. Куценко А.В.

«Вы можете создавать состояние с проекцией ноль, с проекцией единичка на эту ось или суперпозицией «ноль плюс единичка», при этом ноль и единица будут представлены в суперпозиции с каким-то весом. По свечению NV центра вы можете определять его состояние. Если он в состоянии ноль, то светится более ярко. Если он в состоянии единичка, то – менее ярко. У нас есть возможность определить, где он был, просто по яркости. Как если бы у вас были две лампочки ноль и единичка» – комментирует работу старший научный сотрудник ФИАН, руководитель группы Квантовых симуляторов и интегрированной фотоники RQC, кандидат физико-математических наук Алексей Акимов.

Кроме того, мы имеем возможность манипулирования состоянием с помощью радиочастотного поля. Между двумя состояниями ноль и единица, прикладывая импульс, можно организовывать промежуточные состояния, либо полный переход из одного состояния в другое. Все зависит от длительности импульса, обычно эта длительность порядка десятков наносекунд. Таким образом, мы можем очень быстро готовить квантовые состояния, быстрее времен релаксации наших центров. То есть мы можем всегда приготовить необходимое нам состояние, посветив на него зеленым светом и затем приложив радиочастотное поле.

«Но это было бы не так интересно, если бы мы не могли использовать ядерный спин. Благодаря тому, что центр окраски и ядерный спин ¹³С могут находиться рядом, между ними возникает магнитное взаимодействие, которое позволяет переписывать информацию с электронного на ядерный спин и обратно. Так как ядерный спин намного меньше взаимодействует с внешним миром, то он является более изолированной, более долговременной, памятью. В ядерном спине информация может храниться намного дольше, пока это время доведено до нескольких секунд» – рассказывает Алексей Акимов

Возможность проведения вычислений по законам квантовой механики открывает огромное поле новых возможностей для математиков, физиков и программистов. Но новые алгоритмы вычисления привносят в нашу жизнь и новые правила игры, так например стойкий с классической точки зрения алгоритм шифрования RSA становится уязвимым перед квантовым алгоритмом Шора. Алгоритм Шора способен разложить простое число на множители намного быстрее классических алгоритмов, за время сопоставимое с умножением этих самых простых чисел. А один из самых распространенных и безопасных способов шифрования RSA как раз и базируется на использовании разложения на простые множители. Созданная в ФИАНе модель квантового компьютера из нескольких кубитов на центрах окраски алмаза призвана показать возможность работы таких квантовых алгоритмов.

Б. Массалимов, АНИ «ФИАН-информ»

Ну а я в свою очередь очень надеюсь, что читатели СУН благодаря этой статье догадаются, что такое волшебный посох, тот, который есть и у Деда Мороза, и у монарха, и у обыкновенного волшебника, и как он работает.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.