Учёным удалось создать квантовую память, отличающуюся длительным временем хранения информации. Причём при комнатной температуре.
На сегодняшний день существует два основных направления — использование кубитов в искусственно созданных условиях сверхвысокого вакуума или же твердотельные решения. В первом случае куда легче обеспечить достаточно длительное время когерентности. Однако осуществление подобного достаточно проблематично и требует сложнейшего дополнительного оборудования. А ведь конечная цель — создание квантового компьютера, который можно использовать в обычных условиях. По этой причине куда более перспективными выглядят твердотельные устройства. Пусть даже они и отличаются (пока отличаются) меньшими показателями времени когерентности. И одна из самых серьёзных проблем сейчас заключается в том, что кубит нужно изолировать от воздействия окружающей среды. Однако совсем исключить взаимодействие также нельзя, ведь информацию нужно как-то записывать и считывать.
(твердотельная квантовая память)
Новые исследования базируются именно на твердотельных решениях. Немаловажно то, что учёным удалось обойтись минимумом оборудования, значительно удешевив эксперимент. В основу же всего был положен искусственно выращенный миниатюрный кристалл алмаза, в кристаллической решетке которого разместились атомы изотопа углерода-13. Особенностью данного изотопа является то, что ядро обладает ядерным спином, генерирующим магнитный момент. Это означает, что оно будет вести себя как маятник по отношению к приложенному извне магнитному полю. Если параллельно ему, то можно принять значение равное единице; если же перпендикулярно, то нулю. Ядро может находиться в обоих состояниях одновременно — это называется эффектом квантовой суперпозиции. А это позволяет записать не только один бит.
Состояние ядерного спина задавалось и считывалось не напрямую, а посредством связанного с ним электронного спина. И в этом-то и заключается главное изобретение — методика непрямого воздействия. Носителем электронного спина стал т. н. азот-вакантный центр (NV-центр), небольшой дефект в алмазной кристаллической решетке, созданный еще на этапе выращивания кристалла, путем добавления атомов азота. Состоянием такого азот-вакантного центра можно управлять с помощью лазерных импульсов (учеными был задействован зеленый лазер), а также микроволнового излучения. Воздействуя же на NV-центр, можно косвенно влиять и на состояние атома углерода, ведь вместе они образуют взаимодействующую систему из двух магнитов, находящихся на расстоянии 1–2 нм друг от друга. Правильно подобрав частоту светового и микроволнового излучения можно добиться того, что NV-центр станет «посредником» для записи и считывания информации. Весьма оригинальная методика непрямой адресации, благодаря которой отсутствует прямое воздействие на кубит.
(Майкл Теволт демонстрирует образец, обогащённый кремнием-28.)
В результате удалось добиться того, что время когерентности превысило одну секунду (точнее — составило 1,4 сек). При этом теоретические выкладки показывают, что можно достичь и показателя в 36 часов. Так что исследования будут продолжаться, а методика будет улучшаться и оптимизироваться. Но в любом случае, достижение на сегодняшний день значительное, ведь раньше удавалось добиться показателей лишь в тысячные доли секунды.
Некоторое время назад объединенной группе исследователей из Германии, США и Канады удавалось достичь результата в 180 секунд, причем также при использовании твердотельной памяти. Однако в том случае использовались сверхнизкие температуры. Тут же речь идет именно о комнатной температуре, что очень важно для создания квантового компьютера, применение которого станет возможным в обычных условиях.
Квантовые компьютеры имеют одно огромное преимущество перед используемыми ныне системами. Ведь в то время, как обычный бит может иметь всего два состояния («1» или «0»), кубит может (теоретически) иметь бесконечное число состояний. А это означает, что с одного набора кубитов (квантового регистра) можно считывать несравненно большее количество информации. Вот только реализация квантовых систем отличается исключительной сложностью, исследования в этом направлении все еще только начинаются.
Еще одной интересной особенностью (опять-таки, теоретической) квантовой памяти является то, что считать с неё данные может лишь тот, кто знает последовательность физических операций, предшествующих записи. Одна допущенная ошибка приведет к утрате информации. А это означает, что степень защищенности данных будет не в пример выше по сравнению с тем, что мы можем наблюдать сегодня.
Похоже, что этот год станет весьма значимым в истории квантовых компьютеров. Ранее мы уже писали про то, как удалось решить проблему с декогерентностью, когда по причине воздействия окружающей среды происходит нарушение взаимодействия между кубитами (так называется наименьший элемент для хранения информации в квантовых вычислениях — q-bit, quantum bit).