Создан квантовый компьютер в алмазе

Размер всего чипа составляет 3 x 3 миллиметра, в то время как алмаза (в центре) 1 x 1 мм (фото UC Santa Barbara).

Электрон показан оранжевым цветом, ядро азота √ фиолетовым. В отсутствие защиты среда (environment) приводит к декогеренции кубитов. На рисунке b показана только защита данных, на рисунке с √ полноценная работа квантового компьютера (иллюстрация Nature).

Учёные использовали алмаз для того, чтобы изготовить квантовый компьютер. Прежним попыткам создания подобного вычислительного устройства мешало воздействие внешней среды, искажающее вычисления. Теперь же физики из Нидерландов и США нашли решение этой проблемы.

Алмаз начал использоваться для квантовых вычислений относительно недавно. В данном случае дефекты в кристалле драгоценного камня стали его главной ценностью. Так называемые точечные дефекты представляют собой "неправильные" узлы кристаллической решётки — вакансии, возникающие при удалении атома углерода из узла решётки, — и связанные с ними атомы азота. Такие дефекты также называются азото-замещёнными вакансиями в алмазе или NV-центрами. Электронные спины каждого центра поддаются манипуляции магнитным, электрическим и микроволновым полями, что позволяет записывать квантовую информацию.

Наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере называются квантовыми битами или кубитами. Ими являются спин ядра и спин неспаренного электрона каждого NV-центра.

Прежним попыткам создания квантового компьютера мешало воздействие внешней среды, искажающее вычисления. Оно приводило к декогеренции, то есть нарушению взаимодействия кубитов и последующим проблемам при выполнении операции. Учёные смогли добиться лишь изоляции свободных квантовых битов от внешней среды, однако им не удавалось обеспечить защиту согласованных кубитов.

Статья, опубликованная в журнале Nature, рассказывает о том, как исследователи из Нидерландов и США решили проблему. (Статью также можно скачать с сайта препринтов ArXiv.org.)

"Известно, что взаимодействие между квантовым битом и окружающей средой приводит к утрате переносимой информации. Однако возможен динамический контроль кубитов, — рассказывает ведущий исследователь физик Дэвид Аушалом (David Awschalom), профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. — Защищая кубиты от ошибок, вызванных окружающей средой, мы можем обеспечить исполнение квантового алгоритма обработки информации".

Физики выяснили, что, синхронизуя вращение (тот самый спин) неспаренного электрона и ядра атома азота, можно добиться защиты кубитов.   Электрон значительно меньше и быстрее, чем ядро, но он легче становится "жертвой" декогеренции. Для синхронизации кубитов специалисты использовали микроволновые импульсы, заставляющие электрон постоянно менять направление спина. В результате рассогласования кубитов не происходило, вычисления проводились без сбоев.

Работу нового "защищённого" алмазного компьютера учёные продемонстрировали на примере решения задачи на основе алгоритма Гровера. Алгоритм был создан в 1996 году, до появления идеи создания квантовых компьютеров. Но именно для демонстрации "способностей" квантовых вычислительных систем он подходит лучше всего.

Тест представляет собой задачу по поиску информации в не рассортированной базе данных. Чтобы было понятнее, поиск можно сравнить с рядовой ситуацией: компьютер, зная номер телефона, должен найти в телефонной книге имя абонента.

Человек (или обычный компьютер) в этой ситуации при помощи обычного перебора номеров может случайно найти нужное имя на первой странице или же, наоборот, на самой последней. Если проводить поиск бесконечное количество раз, то в среднем имя абонента будет обнаружено в середине телефонной книги.

Переходя на математические понятия, это означает, что правильный выбор будет найден с X/2 попыток, где X – количество сделанных попыток поиска. То есть в случае 4 попыток имя будет найдено в среднем после 2 попыток.

Квантовый компьютер, используя принцип суперпозиции, найдёт нужный ответ гораздо быстрее. Стоящая за этим процессом математика сложна для понимания, но на практике это означает, что квантовое вычислительное устройство в процессе поиска по не рассортированной базе данных всегда найдёт нужное имя с первой попытки.

Двухкубитный компьютер физиков из Нидерландов и США иногда ошибался (взаимодействовал со средой), но в 95% случаев находил нужный ответ с первой попытки, что, по мнению разработчиков, хороший результат.

Добавим, что квантовые компьютеры не единственные конкуренты современных классических вычислительных устройств. Недавно другая группа специалистов закодировала изображение на ДНК-компьютере.

Также по теме:
Физики впервые получили квантовую спутанность двух алмазов при комнатной температуре

Учёные из Японии телепортировали запутанный квант