"Дефектные" алмазы помогут создать гибридные квантовые компьютеры

Работы по созданию квантовых компьютеров ведутся относительно давно. Их преимуществом - правда, пока только в теории - является сверхвысокая скорость обработки информации, которая должна позволить им в будущем решать задачи, непосильные для современных суперкомпьютеров. Гибридные квантовые компьютеры соединяют в себе черты двух популярных направлений развития квантовых вычислений - систем на основе отдельных атомов и систем на основе "твердотельных" устройств, в частности сверхпроводников.

Квантовая память, которую создали Семба Коуити (Semba Kouichi) из Лаборатории фундаментальных исследований компании NTT в городе Канагава (Япония) и его коллеги, работает благодаря эффекту Джозефсона - движению сверхпроводящего тока между двумя фрагментами сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика (такая система называется переходом Джозефсона).

Существование этого явления было предсказано британским физиком Брайаном Джозефсоном (Brian Josephson) в 1962 году, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике 1973 года. Американские ученые Филипп Андерсон (Philip Anderson) и Джон Роуэлл (John Rowell) экспериментально подтвердили расчеты Джозефсона в 1963 году.

Как отмечают ученые, "обычные" квантовые компьютеры на основе перехода Джозефсона способны "помнить" некоторую информацию не дольше нескольких наносекунд, что недостаточно для долговременной работы такого вычислителя.

Авторы статьи частично устранили "забывчивость" сверхпроводникового квантового компьютера, присоединив алмазную пластинку к поверхности так называемого потокового кубита - элементарной ячейки памяти квантового компьютера, которая хранит в себе все возможные комбинации исходных данных. В кристалл алмаза ученые поместили большое количество искусственных "точечных" дефектов - атомов азота.

Потоковый кубит состоял из нескольких тонких полосок сверхпроводящего материала, разделенных переходами Джозефсона; через этот "сэндвич" пропускался электрический ток. Авторы работы управляли состоянием такой системы, изменяя направление магнитного поля вокруг кубита. Состояние потокового кубита фиксировалось с помощью алмазной пластинки. Такая схема позволяла хранить информацию в течение длительного времени, так как атомы азота "запечатаны" внутри алмаза и не могут двигаться, искажая "замороженное" состояние кубита.

Ученые проверили работу своего изобретения на практике. Они охладили устройство до почти абсолютного нуля - 0,2 градуса Кельвина - и подали ток на петлю сверхпроводника, а затем проследили за изменением состояния атомов азота в пластинке алмаза. Колебания в системе "сверхпроводник - алмаз" повторялись в течение 20 наносекунд, после чего сигнал затухал по пока неизвестным причинам.

По мнению исследователей, более "чистые" образцы искусственных алмазов и уменьшение концентрации атомов азота в пластинке помогут решить проблему затухания сигнала. Тогда созданную систему можно будет использовать для лабораторных исследований в области квантовых вычислений.