Квантовые компьютеры
«в розовом свете»
История гласит, что Майкл Фарадей как-то с
ужасом смотрел на то, как его босс сэр Гемфри Дэви
сжигал в вольтовой дуге алмаз стоимостью две
тысячи фунтов! Напомним, что Исаак Ньютон получал
от парламента в год всего лишь триста фунтов,
будучи назначенным «куратором» Монетного двора.
Сегодня алмазов несравненно больше, и они
относительно дешевы. Недаром Мэрилин Монро
произнесла в одном из фильмов простенькую вроде
бы фразу, которая тем не менее стала всемирно
знаменитой: «Diamonds are the best girl’s friends» («Алмазы –
лучшие друзья девушек»). Имелись в виду, конечно
же, хорошо известные колечки с небольшим
бриллиантом, которые девушкам дарят в день
официальной помолвки.
Гораздо менее известно то, что подавляющее
большинство используемых в мире алмазов –
технические (ювелирных всего 10% от добываемых).
Алмазы прекрасно проводят тепло, поэтому их
используют для охлаждения мощных транзисторов в
электронных схемах. Но довольно неожиданно у
алмазов открылась еще одна ипостась, которая
обещает возможность увидеть будущее квантовых
компьютеров «в розовом свете».
Речь идет об экспериментальном создании
квантового бита (кубита – от Qubit) в алмазе,
описанном в журнале «Physical Review Letters». Статья
рассказывает о так называемых азотных вакансиях
NV (N – азот, V – вакансия), представляющих собой
структурные дефекты в кристаллической решетке
алмаза, которому примесь азота придает весьма
привлекательный розовый оттенок.
Вакансии (дефекты) возникают при «выпадении»
атомов углерода из идеальной (рис.)
кристаллической решетки алмаза. При нагревании
алмаза – естественном или в природе – атом азота
диффундирует в решетке, в результате чего он
может быть захвачен такой вакансией. При этом
вакантный дефект может быть либо электрически
нейтральным, либо «обогащенным» электроном. В
последнем случае говорят об образовании
NV-дефекта в кристаллической решетке алмаза.
NV-дефект обладает спином S = 1, который может
иметь три различные пространственные
ориентации, соответствующие магнитным квантовым
числам +1, –1 и 0. Устойчивое ориентационное
состояние спина может сохраняться по квантовым
меркам очень долго – более 50 микросекунд.
Разница между энергиями квантовых состояний с
+1/–1 и 0 вроде бы ничтожная – всего-то 12
микроэлектрон-вольт (мкэВ), но тем не менее
сегодня довольно легко уловимая. Поэтому при
приложении извне электромагнитного поля
появляется возможность манипулировать
спиновыми состояниями NV-дефекта.
При освещении розового алмаза лазерным лучом
происходит возбуждение электрона в NV-дефекте,
т.е. переход его на более высокий энергетический
уровень. После этого электрон релаксирует –
переходит на уровень с более низкой энергией. При
этом избыток энергии испускается в виде фотона,
поэтому явление получило название
«фотолюминесценция».
NV-дефекты представляют собой практически
идеальные кубиты, чье продолжительное время
когерентности излучения позволяет
манипулировать их квантовыми состояниями извне.
С этой целью ученые «соединили» NV-дефект с еще
одним атомом азота, не принадлежащим вакансии.
Отличие этого образования состоит в том, что оно
имеет спин с «классическим» дробным значением
+1/2/–1/2.
Тем самым ученые впервые получили возможность
по изменению cпектра фотолюминесценции реально
«считывать» спиновые состояния NV-дефектов в
кристаллической решетке алмаза.
 |
Модель идеальной
кристаллической решетки алмаза
|
Уже сегодня ученые прогнозируют, что
благодаря связи азота с NV-центром можно
объединить два и более кубитов. Это открывает
путь к созданию в алмазных подложках целых цепей,
состоящих из NV-дефектов, соединенных друг с
другом с помощью азотных образований. Учитывая
успехи, достигнутые в разработке технологии
напыления пленок искусственных алмазов, эта
перспектива начинает действительно видеться «в
розовом свете».
При этом «управление» состоянием кубитов будет
осуществляться с помощью света, прохождение
которого по «цепям» не приводит к нагреванию. А
это сулит еще большую миниатюризацию
будущих схем, не требующих громоздких
вентиляторов и не расходующих на самоохлаждение
дефицитную энергию…
Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2006, № 7115, р. 49) |