Алмазные нанопровода - прыжок в квантовое будущее

Дефект алмаза огорчает ювелиров, а вот физиков, наоборот, радует. Как утверждают гарвардские специалисты, несовершенства этого кристалла можно с успехом использовать при создании нанопроводков для квантового компьютера.

Фото: Фото: AP

Алмазы давно известны своей красотой и необычным взаимодействием со светом, который придает бриллиантам неповторимую игру лучей. Взяв за основу это свойство, ученые впервые разработали в лабораторных условиях и применили на практике метод получения цельных нанопроводков из алмаза. Ранее исследователям удавалось только частично внедрять крошечные фрагменты минерала в структуру такого малого масштаба.

Впрочем, ключевой момент нынешнего достижения — не в масштабе объектов. Как наглядно показала команда специалистов во главе с учеными Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard SEAS), алмазная нанопроволока может служить источником единичных фотонов, выдаваемых "по требованию".

Группа Марко Лонкара нашла подтверждение теоретически обоснованной гипотезы в ходе своей программы по изучению нелинейных свойств фотонных кристаллов. Новая разработка совмещает в себе сразу две заявленные на сайте проекта цели: создание нанофотонного устройства, способного обрабатывать квантовую информацию, и высокочастотного генератора в рамках оптико-механической системы.

Читайте также: Лазерные процессоры научат "мыслить"

По словам ученых, новый способ радикального улучшения производительности источника отдельных фотонов базируется на природном светоизлучающем дефекте камня, называемом азотной вакансией (nitrogen vacancy NV), или просто центром цвета алмаза.

Одним словом, центр цвета "обменивается информацией" с внешним источником лучей. Но эффективный прием фотонов в обычном камне затруднен из-за того, что чаще всего центры цвета находятся глубоко внутри них. "Пойманные в ловушку" атомы взаимодействуют с остальной кристаллической решеткой, в результате чего изменяется их электронное состояние (спин). Большая система из таких наноустройств, которые смогут работать как независимо, так и вместе, была бы солидным шагом на пути к вычислительным квантовым сетям.

Если мы имеем дело с ювелирными изделиями, то видимым результатом будет восхитительная игра прихотливо преломленных световых лучей. Но гарвардских ученых интересует вовсе не красота. Они нацелены на создание устройств, использующих квантово-механические эффекты, например, квантовых компьютеров.

Фото: AP

Дело в том, что спином электрона в отдельном центре цвета можно манипулировать при комнатной температуре. Каждый NV-дефект в этом случае превращается в кубит — наименьший элемент для хранения информации в таком компьютере. Важно также то, что алмазные нанопроводки могут быть получены в больших количествах и без проблем интегрированы в различные наноустройства.

"Разработанное нами устройство на основе алмазных нанопроводков фактически работает как крохотная антенна, генерирующая сильный поток отдельных фотонов, который регистрируется микроскопом, — говорит Лонкар, на днях получивший на свои изыскания грант в $50 тысяч. Устойчивая связь относящегося к наномиру центра цвета с макрообъектами (световодами и линзами) — и есть недостающее звено в создании квантового компьютера".

Однофотонная антенна, работающая как на прием, так и на передачу, позволит воссоздать это "недостающее звено". Создание опытного образца такого устройства можно считать одним из ключевых шагов на пути достижения новых, быстрых и безопасных технологических средств вычисления и связи.

Для создания опытного образца специалисты использовали те же физические процессы, что в природе придают оттенки цветным алмазам. Например, голубой алмаз сигнализирует о примеси атомов бора, а желтый — азота.

Читайте также: Компьютер научили языку жестов

Действующий образец устройства сейчас представляет собой массив из нескольких тысяч алмазных нанопроводков. Каждый из них насчитывает всего несколько микрометров в длину и примерно 200 нанометров в диаметре.

Исследователей ограничивает пока лишь один нюанс — в природных алмазах NV-дефекты распределены неравномерно, что затрудняет использование нанопроводков как антенн. В ближайшем будущем ученые планируют путем ионной бомбардировки добиться равномерного распределения центров цвета в каждом кристалле.

Технические подробности эксперимента изложены в статье гарвардских специалистов, опубликованной в Nature.

Свое мнение о том, насколько значима данная инновация, корреспонденту "Правды.Ру" высказал специалист аналитического центра РАН, кандидат технических наук Виктор Быков:

"Может показаться, что квантовый компьютер — это просто разновидность вычислительной машины. Но это не так: по своей сути — это цифровое устройство, но с аналоговой природой.

Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров, следующие. Во-первых, при его создании необходимо обеспечить высокую точность измерений, во-вторых, внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в нее искажения.

Правда, уже имелся прецедент создания образца квантового компьютера и вполне успешный. Одна из наиболее удачных попыток была предпринята канадскими специалистами в феврале 2007 года. Устройство состояло из 16 кубит и не получило научного признания. Дальнейшие планы компании — создать в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер также вызвали скепсис у членов экспертного сообщества.

Хочется надеяться, что разработка алмазных нанопроводов и создание опытного образца гарвардскими специалистами будет важным шагом на пути к такому принципиально новому типу технологических средств, как квантовые компьютеры".

Читайте также в "Правде.Ру"