Первый квантовый компьютер внутри алмаза

Квантовый компьютер — это вычислительная система, в основу которой положены принципы квантовой механики (см. wiki). В теории, его создание позволит достичь очень высокой производительности при минимальных размерах самого устройства. Вот только реализация такой системы исключительно сложна, и пока учёным удавалось создавать работающие модели лишь с крайне ограниченными возможностями.

Основная проблема, которую долгое время не удавалось решить — декогерентность (см. wiki), когда по причине взаимодействия с окружающей средой происходит нарушение взаимодействия кубитов (q-bit — наименьший элемент для хранения информации в квантовых вычислениях), без возможности завершения производимой операции. Но похоже, что выход найден.

Международной группой учёных из США и Нидерландов было создано устройство, содержащее только два кубита, зато отличающееся стабильной работой. В основу разработки был положен алмаз. Главным же её достоинством стало то, что работа может производится при комнатной температуре. Последнее очень важно, поскольку значительно упрощает внедрение квантовых компьютеров в повседневную жизнь.

В качестве кубитов выступали электрон и ядро атома азота, примеси в алмазе. Именно в этом и состоит секрет исследователей — до этого использовались исключительно электроны, которые куда меньше ядер и быстрее справляются с вычислениями. Но недостатком старого подхода было то, что эти частицы быстрее теряют связанное состояние. Ядро же не в пример устойчивее к внешним воздействиям, хотя и отличается большими размерами.

Тут можно отметить, что чем большую долю примесей содержит алмаз, тем менее привлекателен он для ювелиров и тем интереснее для создателей «алмазных» квантовых компьютеров. Искривления, возникающие на месте дефектов кристаллической решетки, вызванные замещениями атомов углерода атомами азота (азото-замещённые вакансии) идеально подходят для хранения квантовой информации.

Для того, чтобы избежать рассогласования между параметрами двух частиц, ученые воздействуя микроволновыми импульсами постоянно меняли спин электрона. Благодаря этому вмешательству удалось практически свести на нет негативное воздействие окружающей среды и синхронизировать кубиты. В результате оставалось достаточно времени на то, чтобы система успевала провести необходимые вычисления.

Чтобы подтвердить то, что созданная ими система действительно может называться квантовым компьютером, то есть работает по квантовому принципу, учёные воспользовались алгоритмом Гровера (см. wiki), созданным в 1996 году, ещё до появления квантовых систем, но идеально подходящим для таких случаев. Речь идёт о поиске нужной информации в неструктурированном списке. Например, необходимо найти имя абонента в телефонной книге, зная только его номер. Не вникая во все очень сложные нюансы, вроде принципов суперпозиции, отметим, что «алмазная» система выдавала правильный ответ с первого раза в 95% случаев. А этого более чем достаточно для того, чтобы подтвердить, что все работает квантовым способом. Остальные 5% терялись из-за все же происходящего процесса взаимодействия с окружающей средой.