Физики из России создали «алмазную» сеть из ячеек квантового компьютера

Алмазы с одиночными вкраплениями атомов кремния могут стать основой для быстрых и дешевых квантовых компьютеров и сверхбыстрых оптических вычислительных систем, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

— Такие алмазы могут служить хорошей основой для создания достаточно простых и надежных квантовых компьютеров, они могут работать в качестве элементов для оптических квантовых сетей, сверхчувствительных сенсоров, — заявил Денис Сукачев из Российского квантового центра, работающий сегодня в Гарварде, чьи слова приводит пресс-служба РКЦ.

Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной, пишут РИА Новости.

Как рассказывал Алексей Устинов, физики быстро научились изготовлять одиночные кубиты, способные жить достаточно долго для ведения вычислений. С другой стороны, попытки объединить несколько кубитов сталкиваются сегодня с большими трудностями из-за того, что записать и считать данные из них не так просто, как изначально казалось.

Сукачев и десятки других ученых под руководством Михаила Лукина из Гарвардского университета достаточно давно работают над созданием кубитов на базе "дефектных" алмазов для создания своей версии квантового компьютера, конкурирующей со сверхпроводниковыми системами, которые сегодня считаются лидерами в гонке по созданию квантового компьютера.

Дефектные алмазы стремительно набирают популярность среди ученых, изучающих квантовые вычисления. Интерес к ним обусловлен двумя важнейшими плюсами алмазов — кубиты на их основе достаточно легко изготовлять и получать, и они способны работать при комнатной температуре.

"Сердцем" вычислительного модуля служит дефект — атом азота или другого элемента, "затесавшийся" в кристаллическую решетку атомов углерода. Ученые научились использовать спин — направление вращения — электронов атома азота и его ядра для обработки данных в кубите и для хранения информации в течение очень продолжительного времени.

Лукин, Сукачев и их коллеги смогли улучшить работу таких кубитов и сделать их пригодными для обмена информацией друг с другом при помощи импульсов света, заменив атом азот внутри "дефектов" на атом кремния. Подобная замена помогла российским и американским ученым "запутать" два кубита между собой внутри одного алмаза и заставить их взаимодействовать с фотонами лазерных вспышек, при помощи которых физики записывали и считывали данные.

Пока что эта система работает только при очень низких температурах (4 градуса Кельвина) и живет крайне недолго (50 наносекунд), однако ученые обещают многократно улучшить эти показатели, заменив, к примеру, "обычный" кремний на тяжелый кремний-29, что позволит создавать более широкие квантовые сети из кубитов.

— Сейчас мы работаем над высокоэффективной передачей возбуждения с одного центра окраски на другой. Это необходимо для квантовых вычислений, обмена информацией. Возбужденный атом кодирует единицу, невозбужденный кодирует ноль, смена состояний – логическая операция, необходимая для работы компьютера, — поясняет Сукачев.

Кроме того, российским и американским физикам впервые удалось создать оптический транзистор на основе таких алмазов – если одиночные атомы кремния облучать короткими импульсами лазера на определенной частоте волны, то можно сделать их или "прозрачными" для других фотонов, или же заставить их рассеивать световой сигнал.

— Сверхпроводящие кубиты разрабатывают уже много лет, у них большая фора, но, возможно, что первые полноценные квантовые компьютеры будут созданы на базе алмазов, — заключает Сукачев.