Алмазная "память" для квантовых компьютеров.

Главная проблема в области конструирования квантовых вычислительных систем заключалась в том, что ученым долгое время не удавалось создать «строительные блоки» таких систем, известные как кубиты, которые могли бы существовать в твердотельной структуре при комнатной температуре. Кубит, или квантовый бит, представляет собой квантовую частицу, имеющую два базовых состояния, которым могут соответствовать, к примеру, основное и возбужденное состояния атома или направления вверх и вниз спина атомного ядра. Такие состояния и определяют логические значения кубита в бинарном выражении (ноль или единица).

До последнего времени новейшие системы задействовали дорогостоящее оборудование, способное захватывать единичный атом или электрон в вакууме, а затем охлаждать всю установку почти до абсолютного нуля.

Группа исследователей из Гарварда под руководством профессора физики Михаила Лукина, включающая также выпускников Джоржа Куско (Georg Kucsko) и Петера Маурера (Peter Maurer), а также доктора Кристиана Латту (Christian Latta), утверждают, что они решили проблему  путем применения в своей работе одного из чистейших материалов на Земле – алмазов.

Используя пары загрязненных микроучастков в сверхчистых, выращенных в лабораторных условиях алмазах, гарвардские ученые смогли создать кубиты и хранить данные в них на протяжении двух секунд, что на шесть порядков дольше по сравнению с более ранними системами. Отчет о проведенных исследованиях был опубликован в выпуске журнала Science от 8 июля. Эту работу можно смело признать первым важнейшим шагом на пути проектирования полнофункционального квантового компьютера.

«Результаты, которых нам удалось достичь, совершенно беспрецедентны», - рассказывает Михаил Лукин. «У нас имеется кубит, существующий при комнатной температуре, который, к тому же, мы можем измерять с большой степенью точности. Мы можем записывать данные и хранить их в течение относительно продолжительного времени. Мы уверены, что работа нашей системы ограничена лишь текущими техническими недостатками, поэтому нам представляется возможным увеличить время хранения до промежутков, измеряемых часами. В таком случае квантовому компьютеру будет по силам справляться с задачами, представляющими вполне конкретную практическую ценность».

По мнению Михаила, квантовые модули найдут применение в устройствах, снабженных «квантовыми кошельками», то есть системами оплаты, которые содержат идентификационную информацию в квантовых битах для предотвращения угрозы мошенничества или подлога, а также в квантовых сетях – высокозащищенных каналах связи, использующих квантовые биты для передачи данных.

«Это исследование – важный шаг к созданию квантового компьютера для практических нужд», - дополняет Джорж Куско, соратник Михаила. «Впервые мы получили систему, обладающую продолжительным временем работы в качестве компьютерной памяти, и теперь у нас есть что развивать дальше».

Основа недавнего прорыва, осуществленного группой Михаила Лукина, была заложена несколько лет назад, когда ученые выяснили, что азото-замещённые вакансии (nitrogen-vacancy centres, NVC), или сверхмалые загрязнения в структуре выращенных в лаборатории алмазах, по своему «поведению» подобны единичным атомам. Так же, как и отдельный атом, каждый центр загрязненности обладает спином, который можно поляризовать подобно структуре магнита. При помощи лазерного воздействия исследователи могут не только контролировать спин, но и определять его ориентацию, изменяющуюся во времени.

Однако, идею широко применять NVC в квантовых компьютерах нельзя назвать удачной, поскольку эти центры способны «удерживать» информацию всего лишь в течение одной миллионной доли секунды – пока не наступит момент, когда их квантовые параметры, а значит и все хранимые данные, изменятся.

В работе же Михаила был использован иной тип микрозагрязненности. В своих начальных экспериментах, команда Лукина работала с алмазами, состоящими на 99 процентов из атомов углерода-12, которые не имели спина. Оставшийся процент содержал атомы углерода-13, особого изотопа, который характеризуется наличием спина атомного ядра. Взаимодействие с этими спинами и приводило к малому времени существования NV-центров.

Во время последних экспериментов у Михаила со своей группой получилось обернуть процесс взаимодействия NV-центра с атомами углерода-13 себе на пользу.

«Спин ядра углерода-13 – это идеальный квантовый бит, потому что он отлично изолирован от других компонентов системы», - поясняет Михаил. «Поскольку такие кубиты подвергаются наименьшим воздействиям извне, они способны сохранять когерентные свойства продолжительное время, хотя их изолированность усложняет задачи их измерения и манипулирования ими».

Выход из положения, который предложили исследователи, прост и элегантен. Вместо того чтобы искать способ измерения спина атомов углерода, они решили использовать для этой цели сам NV-центр.

Работая совместно с британской компанией “Element Six”, которая специализируется на производстве искусственных алмазов, ученые из команды Михаила изобрели новую технологию создания еще более чистых кристаллов с содержанием углерода-12 не менее чем 99.99 процентов. Полученные кристаллы исследователи «обстреливали» атомами азота, чтобы внутри образовались NV-центры, которые должны взаимодействовать с ближайшими атомами углерода-13.

В результате такого взаимодействия NV-центр отражает состояние атома углерода, иными словами, ученые смогли кодировать бит информации в спине атома углерода, а затем и прочесть эти данные, наблюдая за NV-центром.

«Система, которую мы изобрели, позволяет нам отслеживать значение спина, изучая состояние точно локализованной области, то есть NV-центра», - продолжает Михаил. «Теперь впервые мы можем кодировать бит данных в спине атома и использовать саму же систему, чтобы прочесть информацию».

Впрочем, пока еще кодирование информации в спинах атомов углерода-13 и ее дальнейшее чтение посредством наблюдения за NV-центрами является первым шагом к новому поколению квантовых систем. Исследователям предстоит научиться извлекать максимум выгоды из квантовых свойств атомов, а точнее способности их ядер одновременно находиться в двух состояниях.

Эта возможность пребывать в двух состояниях в один момент времени указывает на ключевой принцип функционирования квантовых компьютеров.  В отличие от обычных компьютеров, которые могут кодировать данные либо в виде единицы, либо в виде нуля, квантовые компьютеры способны давать кубитам оба из этих значений одновременно благодаря своим особенностям, базирующимся на законах квантовой механики. По мнению ученых,  это преимущество позволяет квантовым системам производить множество параллельных вычислительных операций, тогда как обычные компьютеры могут производить вычисления лишь последовательно.

Михаил Лукин в ходе экспериментов пришел к одному из вариантов решения задачи, стоящей перед исследователями. По его словам, способ состоит из двух этапов. На первом этапе ученые прерывают связь между NV-центром и атомом углерода. При помощи мощного лазерного излучения им удается оградить NV-центр от влияния соседнего атома углерода. На следующем этапе кристалл алмаза облучается особыми радио-импульсами, подавляющими взаимодействие теперь уже атома углерода с близлежащими атомами.

«Ограничивая взаимодействия с атомами углерода-13, мы продлеваем «жизнь» кубита и надолго задерживаем в нем информацию», - подводит итог Михаил. «Как результат когерентное время увеличено с миллисекунды до двух секунд!»

--------

Работа - это возможность не только зарабатывать, но также реализовать свои навыки и знания. Существует множество предложений от различных компаний. Многие отправляются в поисках работы за границу. Например, на сайте https://www.eurabota.ua/jobs-in/estonia/jobs-offered вашему вниманию представлены вакансии в Эстонии.