Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №13/2007

НОВОСТИ НАУКИ

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
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)