Эксперт № 48 (2013)

Иными словами, оказалось, что, если улучшить качество алмаза и научиться искусственно управлять такими отдельными атомами, из них, по идее, можно получить очень надежные квантовые биты (кубиты, единицы хранения и передачи информации). То есть с такими примесными системами в алмазах можно делать практически все, что мы с таким трудом научились делать с отдельными атомами, но при этом нам уже не потребуется создавать особые условия — не нужны будут вакуум, очень низкие температуры и тому подобное.

Наша первоначальная идея заключалась в том, чтобы использовать эти алмазные примеси, которые в специальной литературе называются NV-центрами, или азотозамещенными вакансиями, по традиционной схеме, в качестве тех же квантовых репитеров. И этим магистральным направлением мы в принципе продолжаем заниматься и сейчас, как, впрочем, и многие другие научные лаборатории по всему миру: думаю, что в эту работу вовлечено уже порядка сотни различных групп.

Первые эксперименты с использованием NV-центров были проведены в нашей гарвардской лаборатории и группой, возглавляемой Йоргом Рафтрупом и Федором Железко, в Штутгартском университете, причем с Железко и его коллегами мы активно сотрудничали на начальных этапах. Интересно, что мы подошли к этой проблеме, отталкиваясь от квантовой оптики и квантовой информатики, тогда как Федор и Йорг занимались непосредственно физической природой и свойствами этих примесей, и именно они первыми обнаружили их удивительные возможности.

И самое главное их достоинство в том, что в качестве кубитов-кандидатов при комнатной температуре им пока просто нет альтернативы. В частности, еще несколько лет назад нам удалось в ходе эксперимента записать информацию в спин (электронный магнитный момент) такого NV-центра, а затем превратить ее в оптическую информацию, то есть считать в виде одиночного фотона.

В прошлом же году мы смогли осуществить эксперимент, в результате которого промежуток времени между записью такой информации и ее последующим считыванием составил порядка нескольких секунд. А когда мы только начинали эту работу, подобное состояние сохранялось всего около одной миллионной секунды.

—Каковы,по-вашему,практическиеперспективыэтогомагистральногонаправления?

— Один из возможных практических выходов от этой новой схемы — создание квантовых кредитных карт на алмазах. Но, скорее всего, более близкой перспективой станет создание первого рабочего прототипа комнатного мини-квантового компьютера (буквально пару недель назад такой протопип, сохраняющий стабильность при комнатной температуре на протяжении почти сорока минут, был уже продемонстрирован группой Майка Теволта из канадского Университета Саймона Фрейзера. — « Эксперт» ).

—Ачтовообщемешаетсоздатьнормальноработающийквантовыйкомпьютер?

— Главная проблема, безусловно, в том, что все квантовые состояния по своей природе крайне хрупкие и недолговечные. И даже в тех же NV-центрах в алмазах, как только начинаешь связывать друг с другом несколько кубитов, эта хрупкость системы сразу проявляется.

Как вообще работает квантовая память по этой схеме? NV-центры состоят из электронов, и обычно используются их магнитные моменты, спины. Эти магнитные моменты (состояния электронов) легко записать и легко затем считать, потому что в зависимости от того, каким именно магнитным моментом обладают электроны, NV-центр светит либо ярче, либо тусклее. То есть он может иметь два различных состояния и тем самым является идеальным кубитом. Но при этом такие электроны изолированы от внешнего мира довольно слабо, и при комнатной температуре самое длинное время жизни электронов, которое кому-либо удавалось зафиксировать, составляло всего одну тысячную секунды.

Нам же удалось резко увеличить это время благодаря тому, что мы смогли записать информацию в отдельные ядерные спины, в одиночные атомы углерода в алмазной кристаллической решетке. В нашем эксперименте мы использовали специальный алмаз, выращенный из изотопа углерода, у которого не было ядерного спина. Мы добавили туда один-единственный ядерный спин, чтобы сначала записать содержащуюся в нем информацию, а затем ее считать обратно. И добились результата в те самые несколько секунд. А при последующем усовершенствовании методики, думаю, можно будет добиться и нескольких часов.