В статье немецких и японских ученых сообщается о результатах исследования запутанных состояний трех спиновых кубитов в алмазе при комнатной температуре [1].

Основой для кубитов является дефект типа вакансии, который создает атом азота, внедренный в кристаллическую решетку алмаза (рис. 1А). Электронное состояние на вакансии имеет спин S=1, но самое главное, что это состояние очень медленно релаксирует. Время Т₁ спонтанного перехода между состояниями спина при комнатной температуре составляет несколько миллисекунд, а время фазовой памяти Т₂ – около 0.6 мс.

Столь слабая релаксация обусловлена тем, что состояние находится глубоко в запрещенной зоне и локализовано на расстоянии равном постоянной решетки. Это обстоятельство ослабляет взаимодействие с фононами – главными виновниками спиновой релаксации. Электронные состояния на мелких центрах и в зоне проводимости даже при очень низких температурах релаксируют в течение микросекунд. В качестве одного из кубитов в данной работе используются два состояния с разной проекцией спина m_s=0 и m_s=-1. В качестве других кубитов используются состояния спина 1/2 двух соседних ядер изотопа ¹³С. Содержание изотопов ¹²С и ¹³С в алмазе приблизительно равно, поэтому образование требуемой комбинации (два изотопа ¹³С вблизи азотной вакансии) весьма вероятно. Электрон связывается с ядерным спином за счет сверхтонкого взаимодействия. На рис. 1В показаны разрешенные переходы в системе, состоящей из одного электронного и двух ядерных спинов.

Рис. 1. А) – азотная вакансия в решетке алмаза; В) – схема переходов в системе (синие стрелки – с изменением состояния электронного спина, оранжевые – ядерного спина, пунктирная – двух ядерных спинов); С) – ЯМР спектр (красный – измеренный, синий – рассчитанный).

Указанные переходы можно индуцировать и детектировать средствами ЯМР спектроскопии (рис. 1С). В результате удалось создавать и измерять запутанные состояния трех кубитов, а также определять времена их декогерентизации, что и представлено в статье [1].

Знаменитый квантовый компьютер Кейна на атомах фосфора в кремнии изначально был предназначен для работы при сверхнизких температурах. А тут предлагаются квантовые биты, работающие при комнатной температуре. Должна быть какая-то расплата за это достижение. Она, действительно, есть, причем, максимально высокая. Из таких кубитов очень трудно создать полномасштабный квантовый компьютер. Волновые функции электронов на соседних вакансиях практически не перекрываются, поэтому прямого взаимодействия между ними нет. Теоретически вакансии могут взаимодействовать с помощью фотонов, однако это взаимодействие очень непросто устроить и еще сложнее им управлять.

Автор – В. Вьюрков

• 1. P. Neumann et al., Science 320, 1326 (2008)