Квантовая механика является одним из основных предметов современных физических исследований. Элементарные частицы и микроэлектроника давно живут по квантовым законам мира. Квантовая механика начинает работать при размере действия, сравнимом с постоянной Планка. Большую актуальность получили новые науки, находящиеся на стыке квантовой механики и информатики, такие как квантовая теория информации и информатики. Классическая информация представлена в битах 0 и 1. В квантовой же теории информации ячейкой памяти является кубит, который хранит в себе суперпозицию состояний 0 и 1.
В совместной лаборатории ФИАН и Российского квантового центра (RQC) проводится изучение центров окраски алмаза, так называемых NV-центров. Но что это такое? Рассмотрим матрицу углерода (алмаза) в котором вместо одного углерода в атоме подставлен атом азота, а соседний атом отсутствует. Получившаяся система называется NV центром или центром окраски, где соответственно N — азот, а V — вакансия. У этого центра окраски имеется ось. Проекция спина электрона на эту ось сохраняется и может служить кубитом. Этот спин является суммарным спином всех электронов, задействованных в этой вставке и его можно использовать в качестве квантовой памяти.
Для этого можно создавать состояние с проекцией «ноль», с проекцией «единица» на эту ось или суперпозицией «ноль плюс единица», при этом ноль и единица будут представлены в суперпозиции с каким-то весом. По свечению NV центра определяется его состояние: если он находится в состоянии «ноль», то светится более ярко, если в состоянии «единица» — менее ярко. Кроме того, возможно манипулирование состоянием с помощью радиочастотного поля. Между двумя состояниями, воздействуя импульсом, можно организовывать промежуточные состояния, либо осуществить полный переход из одного состояния в другое. Все зависит от длительности импульса, обычно она составляет порядка десятков наносекунд. Таким образом, можно устанавливать квантовые состояния быстрее времен релаксации центров, воздействуя лазерным импульсом и затем радиочастотным полем.
Благодаря тому, что центр окраски и ядерный спин могут находиться рядом, между ними возникает магнитное взаимодействие, которое позволяет переписывать информацию с электронного на ядерный спин и обратно. Так как ядерный спин намного меньше взаимодействует с внешним миром, то он является более изолированной и потому более долговременно памятью. В ядерном спине информация может храниться намного дольше, но пока это время доведено до нескольких секунд.
Проведение вычислений по законам квантовой механики открывает огромные новые возможности для математиков, физиков и программистов. Но новые алгоритмы вычисления привносят в нашу жизнь и новые правила игры, так например стойкий с классической точки зрения алгоритм шифрования RSA становится уязвимым перед квантовым алгоритмом Шора. Алгоритм Шора способен разложить простое число на множители намного быстрее классических алгоритмов за время, сопоставимое с умножением этих простых чисел. А один из самых распространенных и безопасных способов шифрования RSA как раз и базируется на использовании разложения на простые множители.
Созданная в ФИАНе модель квантового компьютера емкостью в несколько кубитов на центрах окраски алмаза призвана показать целесообразность дальнейших исследований и разработок в этой области.
«ФИАН-информ»
