Квантовые компьютеры будут делать из алмазов

Физики впервые смогли создать кубит и оптический транзистор на основе алмазов с «включенными» в них атомами кремния – этот результат позволит создать квантовые компьютеры нового типа и расширить возможности установок для квантовой криптографии. Результаты исследования, проведенного учеными Гарвардского университета и Российского квантового центра, опубликованы в престижном научном 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», - говорит соавтор исследования Денис Сукачев, постдок Гарвардского университета, сотрудник Российского квантового центра и научный сотрудник ФИАНа.



Множество научных групп сейчас пытаются создать универсальный квантовый компьютер, в эти проекты вкладывают средства многие правительства и крупнейшие корпорации, например, Google и IBM. Вычислительные элементы таких компьютеров – кубиты – построены на основе квантовых объектов: ионов, охлажденных атомов или фотонов, способных находиться в суперпозиции нескольких состояний. Это свойство позволяет квантовым компьютерам одновременно, за один такт, делать сразу множество вычислений. Квантовые компьютеры, как ожидается, смогут справляться с задачами, для решения которых самым мощным классическим компьютерам потребовались бы миллиарды лет.

На пути создания квантовых машин возникает проблема – неустойчивость кубитов. Они очень быстро теряют свои состояния, и вычислительные операции не удается провести. В последние годы активно развиваются технологии создания кубитов на базе сверхпроводящих контактов Джозефсона – элементов, где два контакта разделены тончайшим слоем диэлектрика, сквозь который электроны могут туннелировать. Благодаря этому свойству, такие кубиты ведут себя как квантовые объекты: могут находиться в суперпозиции двух состояний, могут запутываться, но при этом достаточно устойчивы. Именно на базе таких кубитов строит свои квантовые устройства компания D Wave, недавно такой кубит удалось создать ученым Российского квантового центра и МФТИ.

Однако у сверхпроводящих кубитов есть свои недостатки: они работают в микроволновом диапазоне, в то время как для передачи данных намного удобнее использовать оптические частоты. Группа ученых из Гарварда, РКЦ, ФИАНа, университета Ульма (Германия) под руководством члена международного совета РКЦ, профессора Михаила Лукина, смогла показать, что алмазы с кремниевыми вакансиями («центрами окраски») могут быть хорошей альтернативой сверхпроводящим кубитам.

В таких алмазах есть дефекты кристаллической решетки – один из атомов углерода заменен атомом кремния. «Это по сути ион, который уже захвачен, находится в твердом теле, в кристаллической решетке. При этом ему не нужна система лазерного охлаждения, не нужна сложная и дорогая ионная ловушка, и такой ион может «работать» в оптическом диапазоне – то есть ему не нужен интерфейс для преобразования «микроволновых данных» в «оптические», - говорит Сукачев.

Он и его коллеги в эксперименте смогли привести два кремниевых дефекта в одном алмазном нановолноводе в состояние квантовой запутанности, что необходимо для квантовых вычислений.

«Мы продемонстрировали квантовое перепутывание двух центров окраски. Получили два запутанных кубита, которые является главным строительным элементом для многих схем обработки квантовой информации. 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», - говорит Сукачев.

Кроме того, ученым впервые удалось создать оптический транзистор на основе таких алмазов – управляющий лазерный импульс смог переключить кремниевый дефект в алмазе в иное состояние и «запереть» сигнальный (или контрольный) фотон.

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

Директор ФИАНа Николай Колачевский, комментируя исследование, отметил, что эта разработка позволит создать эффективный и компактный источник одиночных фотонов, необходимый для систем квантовой криптографии.

«Системы защищенной квантовой связи могут работать и с «обычными» источниками света, но в этом случае велик процент потерь. Источники одиночных фотонов могут значительно расширить возможности квантовых технологий. Кроме того, это очень красивый эксперимент», - сказал Колачевский.

Источник