В 1998 году Кейн [1] выдвинул идею проводить квантовые вычисления на спиновых состояниях ядер атомов, внедренных в кристалл, обосновывая ее тем, что релаксация ядерных спинов чрезвычайно медленная. Он же предложил использовать электроны для управления состоянием отдельного ядерного спина (кубита), организации взаимодействия между ядерными спинами и считывания (измерения) состояний ядерного спина. В первоначальном виде конструкция Кейна до сих пор не реализована в силу огромных технологических трудностей. Однако время от времени появляются вариации на эту тему. Вообще, мечтой исследователей является использование естественных структур для проведения квантовых вычислений. По этому пути пошли ученые из Harvard University, Universitat Stuttgart и Texas A&M University и добились впечатляющего результата. [2]

Рис. 1. Спиновые кубиты – ядра ¹³С, взаимодействие между которыми осуществляют электроны на азотных вакансиях

Они предложили в качестве кубитов применять состояние спина ядер изотопов ¹³С, которые естественным образом содержатся в кристаллической решетке алмаза (рис. 1). Взаимодействие между ними осуществляют электроны на азотных вакансиях. Волновые функции электронов на вакансиях расплываются на достаточно большие расстояния, так что в этой области могут находиться сразу несколько ядер ¹³С. Основным состоянием вакансии является долгоживущий спиновый триплет: |-1>, |0> и |1> (состояния отличаются проекцией магнитного момента). Спин электрона связан со спинами ядер за счет сверхтонкого контактного взаимодействия. В результате этого снимается вырождение состояний триплета по энергии (рис.2). Различие в положении ядер обеспечивает различие в силе этого взаимодействия, что сказывается на частоте ядерного магнитного резонанса.

Рис. 2. Оптические переходы с целью инициализации компьютера и управлением состоянием спина электрона и ядра

На этом основана возможность адресации к определенным ядрам-кубитам. Для инициализации компьютера (приведения системы в определенное известное состояние) электрон возбуждают на высокие уровни, с которых он релаксирует на уровень |e₀>, а затем оптическим импульсом на резонансной частоте переводится в состояние |0>. Далее управление спиновым состоянием электрона и спиновым состоянием ядра |↑> и |↓> осуществляется с помощью микроволнового излучения (рис. 3).

Рис. 3. Подробный фрагмент квадрата на рис. 2: переходы в микроволновом диапазоне частот

Выявлять отдельные вакансии в кристалле можно с помощью оптической сканирующей конфокальной микроскопии. Таким образом, экспериментально продемонстрированы квантовые операции на системе из двух кубитов, один из которых спин ядра, а другой – спин электрона, при комнатной температуре! Продемонстрировано также взаимодействие спинов нескольких ядер ¹³С посредством электрона на вакансии. Изучение системы, содержащей несколько кубитов – ближайшее будущее. Авторы также полагают, что количество кубитов в таком компьютере может быть увеличено, если использовать спины ядер, находящихся вблизи нескольких соседних вакансий.

1. B. Kane, Nature 393, 133 (1998)

2. M.V. Gurudev Dutt et al, Science 316, 1312 (2007)

Автор: В.Вьюрков