Создан квантовый компьютер в алмазе

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.