Физики "научили" квантовый компьютер работать с обычным оптоволокном
Физики из Австрии создали новый тип кубитов, ячеек памяти квантового компьютера, способных обмениваться информацией при помощи обычного оптоволокна. Их описание и первые результаты опытов были представлены в журнале npj Quantum Information.
"Наши кубиты состоят из карбида кремния, полупроводникового материала. В нем часто появляются дефекты, с которыми технологи постоянно вынуждены бороться. Нам же наоборот, эти примеси нужны, и огромный массив данных, собранных коллегами, помог нам понять, как они влияют на свойства кристалла", - рассказывает Том Босма (Tom Bosma) из университета Гронингена (Нидерланды).
Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.
Физики быстро научились изготовлять одиночные кубиты, способные жить достаточно долго для ведения вычислений. С другой стороны, попытки объединить несколько кубитов сталкиваются сегодня с большими трудностями из-за того, что записать и считать данные из них не так просто, как изначально казалось.
Эти проблемы, как отмечает Босма, отчасти связаны с тем, что современные технологии передачи информации, в том числе различные оптоволоконные каналы связи, мало приспособлены для работы с кубитами. По сути, физикам и инженерам приходится с нуля создавать все шины данных и системы связи, необходимые для объединения небольших групп кубитов в более сложные системы и квантовые сети.
Босма и его коллеги сделали большой шаг к решению этой проблемы, создав достаточно долгоживущие и при этом "быстрые" кубиты, способные почти мгновенно менять свое состояние при записи новой информации, работой которых можно манипулировать при помощи инфракрасного излучения.
Их "сердцем" служит так называемый дефект - атом азота или другого элемента, "затесавшийся" в толщу атомов углерода. Подобные дефекты ученые называют "вакансиями", или NV-центрами, так как добавление "чужого" атома в карбид кремния или алмаз создает особое пустое место с необычными свойствами. В этой точке атом углерода отсутствует, но при этом она обладает всеми свойствами атома, который бы находился в этой точке в "замороженном" состоянии.
Благодаря этому NV-кубиты обладают очень длинными сроками жизни по сравнению с другими ячейками памяти, однако их поведением и скоростью обновления достаточно сложно управлять. Босма и его команда решили эту проблему, воспользовавшись тем массивом данных, который был собран другими учеными и инженерами при разработке сверхчистых версий оптоволокна.
Как оказалось, замена азотных дефектов на их молибденовые аналоги резко поменяла свойства подобных кубитов. Они почти не потеряли в стабильности, но при этом они стали более отзывчивыми при попытке поменять их содержимое, и начали взаимодействовать не с фотонами видимого света или микроволнами, а с инфракрасным излучением.
Что самое важное, ученым удалось подобрать свойства этих "вакансий" таким образом, что кубиты начали работать на тех же частотах, что и инфракрасные лазеры, используемые в системах связи.
Это, как отмечают физики, позволяет использовать их для обмена информацией в рамках "составных" квантовых компьютеров и приближает нас к созданию полноценного квантового интернета.
