Алмаз в золотые руки

С мая профессиональные журналы сообщают о разработках и продажах элементов и полностью собранных квантовых компьютеров в Нидерландах и США, Канаде и многих других странах. Сейчас в мире создано не более 15 таких компьютеров, и исследователи всего мира называют их не менее важным открытием, чем интегральная схема. Пока им доступны лишь некоторые примеры таблицы умножения – о потенциале и ходе вычислений таких машин рассказали российские ученые-физики.

Разработки квантового компьютера велись и ранее, и, несмотря на обсуждаемый всеми их потенциал, были гораздо слабее дискретных аналогов в связи со своей быстрой разрушаемостью в окружающей среде, шумом и недостаточной мощностью. Технологический прорыв 2014 года дал возможность специалистам применять процесс квантовых вычислений с большей эффективностью, уменьшив шум процессора и время обработки данных как минимум в десятки раз.

Вычисления квантового компьютера не похожи на вычисления классических компьютеров и на классическую механику. Их работа связана с разделом теоретической физики – квантовой механики, эффекты которой проявляются в микроскопических масштабах. По своей трактовке они могут противоречить классическим теориям, а их действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Проще говоря, на квантовом компьютере происходят расчеты, не видимые нам и не всегда понятные с точки зрения стандартного мышления.

N-V центр в алмазе, сформированный атомом азота (замещающим атом углерода) и находящейся рядом вакансией

Для того, чтобы реализовать полномасштабный квантовый компьютер, превосходящий по производительности любой классический компьютер, помимо внутренних характеристик, необходимо создать для его оболочки такой материал, который позволил бы ему не разрушаться в окружающей среде. Одним из самых перспективных материалов, по мнению ученых, стал алмаз - он начал использоваться для квантовых вычислений относительно недавно. В алмазах, помимо атомов углерода, обычно также присутствуют атомы примесей. Чем больше примесей в камне, тем меньше он ценится ювелирами, но больше физиками и технологами. Трещины внутри драгоценного камня - точечные дефекты - представляют собой «неправильные» узлы кристаллической решётки — вакансии. Они возникают при удалении атома углерода из узла решётки и связываются с атомами азота. Такие дефекты также называются азотозамещёнными вакансиями или NV-центрами (от англ. nitrogen-vacancy). В эти вакансии в алмазе возможно инкрустировать механизмы квантового компьютера - тем самым изолировав их от внешнего воздействия. Находящиеся в механизмах наименьшие единицы компьютеров называются кубиты - они являются спином (результатом импульса) ядра азота и неспаренного электрона каждого NV-центра.

Данная технология позволит в будущем, по аналогии с нынешними кремниевыми чипами, создавать из алмаза квантовые чипы, а затем и превосходящий классический квантовый компьютер.

Обычно информация обрабатывается в компьютере в качестве групп единиц и нулей, а кубиты могут одновременно иметь два значения: ноль и единицу. Это свойство называется суперпозицией, и наряду со способностью квантовых состояний «туннелировать» через энергетические барьеры, по мнению ученых, позволит квантовым компьютерам выполнять вычисления намного быстрее традиционных компьютеров.

Прежним попыткам создания квантового компьютера мешало воздействие внешней среды, искажающее вычисления. Оно приводило к декогеренции - нарушению взаимодействия кубитов и последующим проблемам при выполнении операции. Физики выяснили, что, синхронизуя вращение (тот самый спин) неспаренного электрона и ядра атома азота, можно добиться защиты кубитов. Для согласованного действия кубитов специалисты использовали микроволновые импульсы, заставляющие электрон постоянно менять направление спина – в результате вычисления проводились быстрее.

В основе потенциальных преимуществ квантовых компьютеров лежат необычные законы квантового мира. Для того, чтобы решить задачу в обычном компьютере нужно несколько тысяч транзисторов. В квантовом компьютере она может решаться на меньшем количестве элементов, каждый из которых обладает большей вычислительной силой. Исследователи подтвердили квантовое поведение заключенного в алмаз устройства, заставив его выполнять алгоритм Гровера. Этот алгоритм был изобретен в 1996 году Ловом Гровером. Он применяется при поиске в неструктурированном каталоге. Если требуется найти фамилию человека в телефонной книге по его номеру телефона. При достаточно большом количестве попыток человек перелистает с этой целью в среднем половину всей книги. Если обычный компьютер будет последовательно перебирать различные варианты и найдет нужный ответ, то квантовый компьютер, используя принцип суперпозиции, найдёт нужный ответ в самом начале перебора, потому что может находиться одновременно в разных состояниях. Даже несовершенный новый компьютер в алмазе выдавал правильное значение с первого раза в 95% случаев. Этого оказалось достаточно, чтобы доказать его квантовое поведение. Тем не менее, все эти вычисления пока остаются в будущем – количества кубитов в существующем компьютере недостаточно, как не подтверждена гарантия его долгосрочной работы в алмазе.

Василий Климов

«Существующий квантовый компьютер пока игрушка, но если его мощность увеличить, скажем, до тысячи кубитов, то при помощи такого компьютера можно будет рассчитывать образование одной галактики. Будут открываться новые перспективы для моделирования аэродинамики новых самолетов, новых типов оружия, даже для предсказания погоды на более долгий срок, - рассказывает заместитель директора по науке ООО «Фотонные Нано-Мета Технологии» (ФНМТ) Василий Климов. – Похожей вычислительной мощностью обладают и оптические компьютеры, более популярные сегодня, но они плохо программируются и поэтому применяются только для узкоспециализированых вычислений».

По мнению Климова, даже один ключевой элемент квантового компьютера – одиночный фотон – имеет очень широкую область применений. Компания ФНМТ занимается созданием генератора одиночных фотонов на основе центров окраски в наноалмазах. Применяться генератор фотонов может для тонкого управления химическими реакциями, для создания химических веществ, которые невозможно создать обычным путем, для устройств, которые измеряют поглощение в очень прозрачных средах, для управления жизнью на уровне клеток и во многих других сферах. Спиновые эффекты в кубите на основе центров окраски в наноалмазах они также планируют рассматривать, но позже, поскольку даже на данном этапе есть масса проблем. В высоких технологиях все должно быть качественно: хорошие нанокристаллы алмаза, в которых находился хотя бы один рабочий NV-центр, «золотые» руки технологов и ученых и хорошее финансирование инвесторов. Если первые два пункта обеспечиваются командой самой компании, то финансирование ООО «ФНМТ» осуществляется в рамках гранта Фонда «Сколково».

Александр Фертман

«Квантовый компьютинг как комплексное решение - задача не завтрашнего дня, сейчас создаются только отдельные его элементы, прорабатываются процессы генерации фотонов, способы передачи, хранения и обработки информации - научно и инженерно эти проблемы пока не до конца проработаны, - объясняет директор по науке Кластера ядерных технологий «Сколково» Александр Фертман. - Если управление электрическими сигналами – это давно освоенная технология, а скорость обработки информации в классических компьютерах постоянно растет, то управляемая генерация одиночных фотонов – до сих пор нерешенная задача. Первые однофотонные квантовые генераторы созданы, но количество генерируемых фотонов в секунду в них небольшое и соответственно скорость передачи информации несопоставима с той, которую обеспечивает современный компьютер».

Разработка источника сигналов, о котором говорит Фертман - лишь одно из направлений работы «ФНМТ». Есть еще управление генерацией фотонов и обеспечение направленной передачи сигнала. По мнению сотрудника «Сколково», из этих задач капитализируется на рынке научного оборудования последние две: совмещение NV-центров с метаматериалами может быть реализовано в схемах по передаче информации (пока что не обязательно компьютерных), а также направленная передача сигнала генератора фотонов с использованием наноантенн, которое позволит увеличить плотность потока фотонов, а соответственно и объем передаваемой в единицу времени информации – также вполне реализуемый продукт. «Это фундаментальная тема, проектов с такой глубиной научных исследований не только в нашем кластере, но и во всем Фонде немного, но интерес бизнеса и научного сообщества к данной тематике настолько велик, что коммерциализация происходит на более ранних стадиях, нежели в промышленных технологиях», - убежден Александр Фертман.