Физики из России, США и Германии разработали новую платформу для создания интегральных квантовых систем — кубитов, логических вентилей и элементов памяти. В ее основе лежат волноводы из алмаза, внутри которых есть оптические резонансные полости и дефектные центры, обеспечивающие взаимодействие между резонаторами. Ученым удалось продемонстрировать запутанность в такой системе, а также создать оптический транзистор, пропускающий или рассеивающий свет в зависимости от управляющего сигнала. Исследование опубликовано в журнале Science.

Схема алмазного волновода. A. Sipahigil et al. / Science, 2016

Квантовый компьютер — вычислитель, в котором биты информации несут в себе не конкретные значения, «ноль» или «единица», а суперпозицию этих значений. Это означает, что при попытке измерить состояние бита мы получим с определенной долей вероятности одно из двух значений — до измерения даже сам бит «не знает» своего истинного состояния. Благодаря этому подобные устройства способны словно бы выполнять огромное количество операций за один акт — со всеми возможными значениями квантовых битов (кубитов). Хотя в привычных вычислениях (операциях сложения или умножения) это не может дать значительной выгоды, в случае с более сложными задачами — разложении чисел на простые множители — квантовые компьютеры могут решать задачи, «неподъемные» для классических вычислителей.

При постройке любой квантовой системы, в том числе и квантового компьютера, важно добиться надежного взаимодействия между отдельными ее элементами. Это также необходимо для управления системой или считывания ее состояния. В случае наиболее распространенных, сверхпроводящих кубитов, для этого используется электромагнитное излучение микроволнового диапазона. Вместе с тем, существует класс кубитов, основанных на спинах одиночных атомов — он может управляться оптическими сигналами, которые удобно использовать для передачи данных. Новая работа посвящена созданию масштабируемой платформы, в которой несколько кубитов связаны между собой фотонами видимого диапазона.

Физики взяли за основу системы алмазный волновод (волокно), в котором на равных расстояниях друг от друга располагались полости. Эти полости играли роль оптических резонаторов. С помощью сфокусированного ионного пучка авторы поместили между полостей атомы кремния, создав дефекты, в которых отсутствуют атомы углерода, но есть атом кремния. По словам авторов, такие дефекты близки по природе к охлажденным атомам, заключенным в оптическую ловушку. Однако для удержания атомов кремния в данном случае не требуется лазеров и других сложных методик — это обеспечивает кристаллическая решетка алмаза.

Состояние кремниевых атомов в алмазном волноводе влияет на его оптические свойства — на их основе можно построить оптический выключатель. Так, если атомы были «сопряжены» с оптическими полостями, то волновод становился непрозрачным для света. Если же электронное состояние кремния не было «сопряжено» с резонаторами, то прозрачность волновода увеличивалась. Авторы показали, что эти состояния можно переключать с помощью коротких 30-наносекундных импульсов лазера. Работает такой оптический выключатель при температурах жидкого гелия — около четырех кельвинов, время жизни включенного (или выключенного) состояния — 10 наносекунд.

Также ученым удалось добиться квантовой запутанности между двумя кремниевыми дефектами, игравшими роль кубитов. Ее удалось обнаружить, следя за излучением, которое испускали атомы в волноводе. Авторы обнаружили явление коллективного спонтанного излучения, известное иначе как сверхизлучение Дике (подробнее о нем можно прочитать здесь).

По словам физиков, работа демонстрирует ключевые компоненты, необходимые для создания интегральных квантовых сетей. На базе алмазных волноводов можно будет реализовать крупные сети с большим количеством взаимодействующих кубитов. В таких системах можно будет реализовать узлы, ответственные за создание запутанных состояний, модули квантовой памяти и квантовые логические вентили, способные работать с фотонными или спиновыми кубитами.

Ученые отмечают, что характеристики алмазных волноводов все еще не оптимальны и их можно значительно улучшить. Так, при охлаждении их до 0,3 кельвина, время работы квантовых выключателей увеличится до миллисекунд: колебания решетки перестанут влиять на состояния атомов кремния так сильно. Дополнительно время когерентности можно увеличить, используя изотопы кремния-29. Тогда состояние кубита можно будет записывать в ядерном спине атома, который гораздо слабее взаимодействует с окружающей средой. Также более точная сборка самой конструкции из оптических резонаторов и дефектов улучшит характеристики волновода.

«Сейчас мы работаем над высокоэффективной передачей возбуждения с одного центра окраски на другой. Это необходимо для квантовых вычислений, обмена информацией. Возбужденный атом кодирует единицу, невозбужденный кодирует ноль, смена состояний — логическая операция, необходимая для работы компьютера, — рассказывает Денис Сукачев, соавтор работы. — Сверхпроводящие кубиты разрабатывают уже много лет, у них большая фора, но, возможно, что первые полноценные квантовые компьютеры будут созданы на базе алмазов»

Существует несколько базовых принципов, на которых можно построить кубиты. Наиболее перспективными из них сейчас считаются сверхпроводящие кубиты — они построены на кольцах из сверхпроводника, в которых есть один или несколько разрывов. Они ведут себя подобно искусственным атомам и могут находиться в суперпозиции двух состояний — условных «нуля» и «единицы». Так же на роль кубитов предлагались фотоны, отдельные атомы (роль состояния кубита играет в данном случае спин), квантовые точки и другие объекты.

Автор: Владимир Королёв