Физик Денис Сукачев из Российского квантового центра рассказал о том, как российские и американские ученые пытаются превратить алмазы в квантовые компьютеры, и объяснил, почему подобные вычислительные устройства уже являются реальностью, а не просто научной фантастикой.
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.
Денис Сукачев и многие другие ученые под руководством Михаила Лукина из Гарвардского университета давно работают над созданием кубитов на базе так называемых «дефектных» алмазов. 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 толщу атомов углерода. Подобные дефекты ученые называют «вакансиями», или NV-центрами, так как добавление атома азота в алмаз создает в его кристаллической решетке особое пустое место с необычными свойствами. В этой точке атом углерода отсутствует, но при этом она обладает всеми свойствами атома, который бы находился в этой точке в условно «замороженном» состоянии.
Ученые научились использовать спин — направление вращения — электронов атома азота и его ядра для хранения информации внутри этого дефекта и для обработки данных внутри кубита в течение очень продолжительного времени.
На этой неделе отечественные и зарубежные физики рассказали о создании технологии, позволяющей массово изготовлять кубиты – элементарные вычислительные модули и ячейки памяти квантовых компьютеров, «печатая» их внутри алмазов.
— Группа Лукина долгое время работала с азотными вакансиями, а недавно вы перешли на кремний. Связана ли эта замена исключительно с различиями в свойствах атомов или она имеет связь и с технологиями изготовления таких дефектов?
— Технологии внедрения азотных NV-центров и кремниевых SiV-центров по своей сути являются одинаковыми. И те, и другие могут быть образованы как во время роста алмаза, так и с помощью ионной имплантации.
Первый метод позволяет нам получать центры с лучшими спектральными свойствами — они не мерцают, не ионизуются, а их частота излучения стабильна на протяжении нескольких часов. «Имплантированые» центры уступают «естественным» дефектам в качестве, но зато технологии их производства позволяют нам контролировать то, где они будут располагаться. Это очень важно в тех случаях, когда мы хотим заставить их взаимодействовать с фотонами предсказуемым образом и помещаем их для этого в нанорезонаторы.
В свою очередь, мы сделали выбор в пользу кремниевых центров потому, что они сохраняют стабильные спектральные свойства при помещении в такие нанорезонаторы, что не характерно для их азотных «конкурентов».
— За последние годы профессор Лукин и его коллеги по Гарварду создали шину передачи данных и многие другие конструкции, необходимые для связывания кубитов и работы всего компьютера в целом. Чего еще не хватает для создания полноценных универсальных квантовых компьютеров, или дело только в технологиях и времени?
— Я не вижу фундаментальных препятствий для создания универсальных квантовых компьютеров, а некоторые квантовые вычислительные приборы, оптимизированные под определенный круг задач, уже можно купить сегодня. Примером этого является известный квантовый симулятор D-Wave, создаваемый командой ученых из Google.
Если говорить про «алмазные кубиты», то до недавнего времени все попытки создания кубиты на их базе были основаны на использовании NV-центров. Причиной этого было то, что подобные вакансии способны поддерживать работу квантовой памяти на протяжении нескольких миллисекунд, что является очень длительным временем для квантовых систем.
Основным недостатком этих центров является то, что они вырабатывают малое число фотонов. Это мешает получению перепутанного состояния — одного из основных ресурсов для квантовых вычисления и квантовой передачи данных.
Если же взять кремниевый центр и поместить его в фотонный резонатор внутри алмаза, что число фотонов многократно увеличится, что должно привести к повышению частоты генерации перепутанного состояния.
Сейчас мы работаем над созданием долговременной квантовой памяти на базе кремниевых центров. Для этого мы охлаждаем их до температуры порядка 20 милликельвинов, что в 200 раз меньше температуры кипения жидкого гелия. При таких температурах атомы углерода полностью «замораживаются», благодаря чему коллективные колебания атомов в кристаллической решетке алмаза, мешающие работе квантовой памяти, так называемые фононы, полностью исчезают.
— Составят ли алмазные кубиты конкуренцию их сверхпроводящим аналогам, и что послужит основой первых «промышленных» квантовых компьютеров?
— Основным преимуществом «алмазных кубитов» над их сверхпроводящими аналогами, на мой взгляд, является то, что их можно использовать для создания «долгой» квантовой памяти благодаря возможности перенесения кубита на ядерный спин.
Кроме того, сами дефекты способны светиться в оптическом диапазоне, что сильно упрощает процесс передачи данных на большие расстояния благодаря тому, что мы можем использовать для этих целей высококачественное оптоволокно.