Физики сделали первый шаг к массовому производству квантовых компьютеров

Ученые из MIT и России научились "печатать" одноатомные дефекты внутри алмазов, что открывает дорогу для промышленного производства квантовых компьютеров на базе подобных "бракованных" драгоценных камней, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

"Наша мечта – создать оптическую цепочку, которая бы могла транспортировать фотонные кубиты и позволяла бы нам использовать квантовую память тогда, когда она нам нужна. Мы очень близки к ее реализации – наши дефекты почти совершенны", — рассказывает Дирк Энглунд (Dirk Englund) из Массачусетского технологического института (США).

Квантовое сияние алмазов

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.

Михаил Лукин из Гарвардского университета, а также ряд физиков из Российского квантового центра, MIT и Гарварда достаточно давно работают над созданием кубитов на базе так называемых "дефектных" алмазов. Интерес к ним обусловлен тем, что кубиты на их основе достаточно легко изготовлять и получать, и они способны работать при комнатной температуре. Кроме того, алмазы можно использовать в качестве хранилища квантовой информации, своеобразной "квантовой памяти".

"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 долгого времени.

За последние годы Лукин и его коллеги научились связывать такие кубиты друг с другом, разработав специальную шину для обмена данными между подобными "дефектами", а также создали множество других ключевых компонентов, критически важных для работы универсальных и  масштабируемых квантовых компьютеров.

Фабрика кубитов

Главной проблемой при создании подобных "алмазных" компьютеров, как рассказывают Лукин и его коллеги, оставалось то, что сегодня подобные дефекты создаются фактически случайным образом. Это делает создание сложных и "массовых" квантовых компьютеров на их основе крайне сложной задачей, так как положение каждого кубита приходится определять вручную. Поэтому ученые достаточно долго пытаются найти способы изготовления подобных дефектов в конкретных точках на поверхности алмаза, где их легко можно было бы найти и "прочитать".

Российские и американские физики смогли решить эту проблему, используя специальную электронную пушку, способную вырабатывать очень тонкие пучки ионов кремния. Это устройство позволяет "прицельно" стрелять порциями по 20-30 атомов кремния в определенные точки на поверхности алмазной пластины, где должны быть расположены кубиты, и определять, закрепились ли они внутри нее по тому, как меняется напряжение луча пушки.

Простое облучение алмазной пластины этой пушкой, как рассказывают Лукин и его коллеги, не приводит к желаемым результатам – всего 2% "дырок" в структуре алмаза, которые обстреливала электронная пушка, превращаются в дефекты с нужными свойствами.

Ученые смогли повысить их число в 10 раз, дополнительно обстреляв алмазную пластину пучками электронов и нагрев ее до температуры в 1000 градусов после обработки ионами кремния.  Высокие температуры, как объясняют физики, заставляют "дыры " в кристаллической решетке алмазов мигрировать с одного места на другое и соединяться с атомами кремния, "застрявшими" в ней после обстрела ионной пушкой.

Подобный подход, по словам Лукина и его коллег, позволяет создавать десятки тысяч дефектов на поверхности алмаза каждую секунду, размещая их в конкретных точках на поверхности алмаза. Это приближает нас к созданию "промышленных" версий квантовых компьютеров и квантовой памяти на базе подобных дефектных алмазов, способных решать реальные задачи. Как полагают ученые, подобную методику можно использовать для "печати" и других типов дефектов, основой для которых будут служить атомы германия или молекулы сульфида молибдена, обладающие более интересными свойствами.

Источник: ria.ru

Комментарии: