En kvantdator i en diamant har skapats. Fian har utvecklat två metoder för att skapa osynliga märken för markering av diamanter Nv -center

I det gemensamma laboratoriet för FIAN och Russian Quantum Center (RQC) har en modell av en kvantdator baserad på diamant skapats.

Kvantmekanik är en av huvudpelarna i modern fysikforskning. Elementarpartiklar och mikroelektronik har länge levt enligt kvantlagarna i världen. Kvantmekaniken börjar fungera när åtgärdsstorleken är jämförbar med Plancks konstant. Den så kallade nya vetenskaper vid skärningspunkten mellan kvantmekanik och informatik, såsom kvantinformationsteori och informatik. Klassisk information presenteras i bitar i formen 0 och 1. I kvantinformationsteori är en minnescell en qubit som lagrar en superposition av tillstånd 0 och 1.

Anställda vid LPI -gaslasellaboratoriet - Sergei Kudryashov, Alexei Levchenko, Leonid Seleznev och Dmitry Sinitsyn, genom att utsätta diamanten för strålning från en femtosekundlaser, kunde skapa en ökad koncentration av lediga platser (defekter i diamantgitteret där det finns inga kolatomer). Forskare på FIAN kommentarer Alexey Levchenko:

« Vanligtvis skapas lediga platser med hjälp av elektronstrålar eller strålar av partiklar med hög energi. Denna metod ger en enhetlig koncentration av lediga platser genom provvolymen. Med hjälp av en femtosekundlaser är det tvärtom möjligt att uppnå en liknande men lokal effekt - att rita den nödvändiga "bilden" med små kluster av lediga platser. "

Då kan dessa lediga platser bindas med förorenade kväveatomer, som vanligtvis finns i diamantens huvudsakliga betydande koncentrationer, och bilda det så kallade NV-centret (kvävevakanscentrum)-en mycket "användbar" defekt för diamantmärkning. Poängen är att när de utsätts för synligt ljus börjar NV -centra karaktäristiskt fluorescera, och tillämpningen av ett externt mikrovågsfält kan också ändra intensiteten för denna fluorescens.

« Det kan finnas andra föroreningar i en diamant som lyser under påverkan av yttre strålning (rosa, gula, blå diamanter), därför kan vi genom att slå på mikrovågsfältet se vår förändrade signal mot bakgrunden av allt detta brus . Om du skapar en osynlig mikrokluster av NV -center - på grund av skarp fokusering i volymen bokstavligen ner till en mikron, kan du därefter läsa märket för vår diamant genom fluorescens i mikrovågsfältet – Alexey Levchenko.

Det gemensamma laboratoriet för Lebedev Physical Institute och Russian Quantum Center studerar diamantfärgcentra, NV -centra. Men vad är ett NV -center? Låt oss överväga en matris av kol (diamant) där en kväveatom är substituerad i atomen i stället för ett kol (gula diamanter är gula på grund av kväveförorening), och den närliggande atomen är frånvarande. Det resulterande systemet kallas NV -centrum eller färgcentrum. Följaktligen N-kväve och V-vakans. Detta färgcentrum har en axel. Projektionen av elektronspinnet på denna axel bevaras och kan fungera som en qubit. Denna snurrning är den totala snurrningen av alla elektroner som är involverade i denna insats. Följaktligen kan vi använda denna snurrning som kvantminne.

Kraftfull laserinstallation "PIKO" för forskning om interaktionen mellan laserstrålning i nanosekund- och picosekundintervallet med materia. Från vänster till höger: Mikhailov Yu.A. A. V. Kutsenko

« Du kan skapa ett tillstånd med en projektion på noll, med ett projektion av en på denna axel, eller en superposition av "noll plus en", medan noll och en kommer att representeras i superposition med någon typ av vikt. Genom NV -centrumets sken kan du bestämma dess tillstånd. Om det är i tillstånd noll, lyser det mer starkt. Om det är i tillståndet ett är det mindre ljust. Vi har förmågan att avgöra var han var, helt enkelt genom ljusstyrka. Som om du hade två glödlampor noll och en"- kommentarer om arbetet hos en senior forskare vid FIAN, chef för gruppen av kvantsimulatorer och integrerad fotonik RQC, kandidat för fysiska och matematiska vetenskaper Alexey Akimov.

Dessutom har vi förmågan att manipulera tillståndet med hjälp av ett radiofrekvensfält. Mellan de två tillstånden noll och en, som tillämpar en impuls, är det möjligt att organisera mellanliggande tillstånd, eller en fullständig övergång från ett tillstånd till ett annat. Allt beror på pulslängden, vanligtvis är denna varaktighet av storleksordningen tiotals nanosekunder. Således kan vi förbereda kvanttillstånd mycket snabbt, snabbare än avslappningstiderna för våra centra. Det vill säga, vi kan alltid förbereda det tillstånd vi behöver genom att skina grönt ljus på det och sedan tillämpa ett radiofrekvensfält.

« Men det vore inte så intressant om vi inte kunde använda kärnspinn. På grund av det faktum att färgcentret och 13C -kärnspinnet kan vara nära inträffar en magnetisk interaktion mellan dem, vilket gör det möjligt att skriva om information från elektroniken till kärnspinnet och vice versa. Eftersom kärnspinn interagerar mycket mindre med omvärlden är det ett mer isolerat, mer långsiktigt minne. I kärnkraftsryggen kan information lagras mycket längre, så länge den här tiden kommer till några sekunder."- säger Alexey Akimov

Möjligheten att utföra beräkningar enligt kvantmekanikens lagar öppnar ett stort fält av nya möjligheter för matematiker, fysiker och programmerare. Men nya algoritmer för beräkning ger nya spelregler till våra liv, till exempel blir RSA -krypteringsalgoritmen, som är stark ur klassisk synvinkel, sårbar för Shors kvantalgoritm. Shors algoritm kan faktorera ut ett primtal mycket snabbare än klassiska algoritmer, i tid som är jämförbar med multiplikationen av dessa primtal. Och en av de vanligaste och säkra RSA -krypteringsmetoderna är exakt baserad på användningen av primfaktorisering. Modellen för en kvantdator som skapats vid FIAN, bestående av flera qubits på diamantfärgcentra, är avsedd att visa möjligheten att sådana kvantalgoritmer fungerar.

B. Massalimov, ANI "FIAN-inform"

Tja, jag hoppas i sin tur verkligen att SUNs läsare tack vare den här artikeln kommer att gissa vilken magisk personal, den som jultomten och monarken och en vanlig trollkarl har och hur det fungerar.

Forskare använde diamant för att göra en kvantdator. Tidigare försök att skapa en sådan beräkningsenhet hindrades av exponering för yttre miljön förvrängande beräkningar. Nu har fysiker från Nederländerna och USA hittat en lösning på detta problem.

Diamond har nyligen börjat användas för kvantberäkning. I detta fall blev defekter i en ädelstenkristall dess huvudvärde... De så kallade punktdefekterna är "oregelbundna" gitterplatser - lediga platser som uppstår när en kolatom avlägsnas från en gitterplats - och kväveatomer associerade med dem. Sådana defekter kallas också kväve-substituerade vakanser i diamant- eller NV-centra. De elektroniska snurrarna i varje center lämpar sig för manipulation av magnetiska, elektriska och mikrovågsfält, vilket gör det möjligt att spela in kvantinformation.

De minsta elementen för att lagra information i en kvantdator kallas kvantbitar eller qubits. De är kärnans snurr och spinet av den oparade elektronen i varje NV -centrum.

Tidigare försök att skapa en kvantdator hindrades av miljöpåverkan som snedvrider beräkningen. Det ledde till dekoherens, det vill säga ett brott mot interaktionen mellan qubits och efterföljande problem under operationen. Forskare kunde bara uppnå isolering av fria kvantbitar från den yttre miljön, men de kunde inte säkerställa skyddet av de matchade qubitsna.

Artikeln, publicerad i tidskriften Nature, beskriver hur forskare från Nederländerna och USA löste problemet. (Artikeln kan också laddas ner från ArXiv.org förtryckssajt.)

"Det är känt att samspelet mellan en kvantbit och miljö leder till förlust av bärbar information. Dynamisk kontroll av qubits är dock möjlig, säger huvudforskningsfysikern David Awschalom, professor vid University of California, Santa Barbara. "Genom att skydda qubits från fel orsakade av miljön kan vi säkerställa utförandet avritmen."

Fysiker har funnit att genom att synkronisera rotationen (samma snurr) av den oparade elektronen och kärnan i kväveatomen är det möjligt att uppnå skydd för qubiterna. Elektronen är mycket mindre och snabbare än kärnan, men den blir lättare ett "offer" för dekoherens. För att synkronisera qubiterna använde specialisterna mikrovågspulser, vilket tvingade elektronen att ständigt ändra riktningen på dess snurr. Som ett resultat var det ingen qubit -mismatch och beräkningarna utfördes utan misslyckanden.

Forskare har demonstrerat arbetet med den nya "skyddade" diamantdatorn genom att lösa ett problem baserat på Grovers algoritm. Algoritmen skapades 1996, innan tanken på att skapa kvantdatorer dök upp. Men det är just för att demonstrera "kapacitet" i kvantdatasystem som det är bäst lämpad.

Testet är en uppgift att hitta information i en osorterad databas. För att göra det tydligare kan sökningen jämföras med en vanlig situation: datorn, som känner till telefonnumret, måste hitta abonnentens namn i telefonboken.

En person (eller en vanlig dator) i denna situation, som använder den vanliga uppräkningen av siffror, kan av misstag hitta det önskade namnet på den första sidan, eller omvänt, på den allra sista. Om du söker ett oändligt antal gånger, kommer i genomsnitt uppringarens namn att hittas i mitten av telefonboken.

Om vi ​​går vidare till matematiska begrepp betyder det att rätt val kommer att hittas med X / 2 försök, där X är antalet sökförsök som gjorts. Det vill säga, i fallet med 4 försök, kommer namnet att hittas i genomsnitt efter 2 försök.

En kvantdator, som använder superpositionsprincipen, kommer att hitta rätt svar mycket snabbare. Matematiken bakom denna process är svår att förstå, men i praktiken innebär detta att en kvantberäkningsenhet, i processen att söka genom en osorterad databas, alltid hittar rätt namn vid första försöket.

En två-qubit dator av fysiker från Nederländerna och USA gjorde ibland misstag (interagerade med miljön), men i 95% av fallen fann det rätt svar vid första försöket, vilket enligt utvecklarna är ett bra resultat .

Vi tillägger att kvantdatorer inte är de enda konkurrenterna hos moderna klassiska datorer. Nyligen en annan grupp specialister på DNA -datorn.

MIKROELEKTRONIK, 2012, volym 41, nr 2, sid. 104-119

KVANTUMINFORMATIK:

NV CENTRUM I DIAMOND. DEL I. ALLMÄN INFORMATION, PRODUKTIONSTEKNIK, SPEKTRUMSTRUKTUR

A. V. Tsukanov

Institute of Physics and Technology of the Russian Academy of Sciences E-post: [e -postskyddad] Mottogs den 31 mars 2011

Ett kvantsystem betraktas i detalj, vilket är ett av de mest populära och lovande inom experimentell kvantinformatik - NV -centret i diamant. Vi uppmärksammar läsaren på resultaten som har uppnåtts under de senaste åren och som täcker ett brett spektrum av frågor som rör tillverkning, kontroll, mätning av NV -centra och deras användning som elementära bärare av kvantinformation. Problemet med att bygga en kvantdator i full skala diskuteras.

1. INTRODUKTION

Idén om kvantinformationsbehandling föddes i slutet av 1900 -talet och har nu blivit en av de mest attraktiva och spännande för många forskare som arbetar inom olika vetenskapsområden. Med utvecklingen av den experimentella och tekniska basen upphörde skapandet av en kvantdator bara att vara spekulativt teoretiskt problem, förvandlas till en komplex men intressant praktisk uppgift.

Som en elementär cell i en kvantdator - en kvantbit eller kvbit - väljs ett system med två nivåer, vars tillstånd effektivt kan kontrolleras. Det antas att systemet som representerar qubiten har ett antal specifika egenskaper. Dessa inkluderar a) energispektrumets höga diskreta, vilket gör det möjligt att skilja två logiska tillstånd 10) och 11 qubits från hela Hilbert -utrymmet i systemets tillstånd, b) förekomsten av fysiska mekanismer som tillhandahåller initialisering, kontroll och mätning av tillståndet för en qubit, och c) bra tider avslappning och avfasning av logiska tillstånd. Att bygga en kvantdator i full skala, bestående av ett stort antal synkront fungerande qubits, innebär också möjligheten att styra interaktionen mellan två godtyckliga qubits. Det är allmänt accepterat att en ökning av antalet qubits till ett praktiskt användbart värde (i storleksordningen flera tusen) sannolikt kommer att realiseras i solid-state strukturer. Det finns flera lovande områden med tanke på sådana kvantsystem (supraledande element, halvledarkvantumsprickor, implantation

atomer) som qubits. Alla uppfyller dessa krav endast vid mycket låga (<100 мК) температурах, когда энергия размерного квантования системы значительно больше, чем энергия тепловых флуктуаций. Указанное обстоятельство накладывает жесткие ограничения на дизайн и качество контроля кубита. В этой связи представляется крайне важным ослабление данного требования за счет выбора такой системы, которая сохраняла бы когерентность, необходимую для квантовых операций, при более высокой (желательно - комнатной) температуре. На сегодняшний день известны две такие системы. Первая из них, раствор молекул некоторых органических веществ (например, раствор ацетона в хлороформе), представляет собой объект, на котором в 1998 году были продемонстрированы принципы квантовых вычислений . Однако количество кубитов - ядерных спинов атомов водорода, углерода и др., входящих в структуру молекулы, ограничено числом атомов в молекуле. Вторая система, являющаяся предметом нашего рассмотрения, есть дефект кристаллической решетки алмаза, который состоит из соседних атома азота (Ы) и вакансии (V). Принятое обозначение такого дефекта - NV - указывает на структурный состав, а название - "NV-центр" - говорит о том, что он представляет собой так называемый центр окраски по отношению к чистому алмазному субстрату. Принципиальное преимущество данной твердотельной системы - возможность создания упорядоченных двумерных массивов, содержащих произвольное количество одиночных NV-центров, т.е. возможность масштабирования.

Huvudsyftet med detta arbete är en kort, men så fullständig som möjligt, fullständig bekantskap av läsaren med NNi -centren, deras struktur och fysiska egenskaper, samt positionen som de

upptar i modern experimentell fysik av lågdimensionella strukturer. Medan vi fokuserar på en ganska detaljerad diskussion av resultaten direkt relaterade till kvantberäkning, kommer vi ändå att uppmärksamma andra närbesläktade områden relaterade till sammanhängande manipulationer av tillståndet i ME -centra. I den första delen av granskningen kommer vi att överväga de viktigaste egenskaperna hos ME-centra, tekniken för tillverkning och gruppteoretisk analys av spektrumet. Den andra delen kommer att ägnas åt frågorna om kontroll av både orbital- och spinntillstånd i centrum, elementära kvantoperationer, initialisering, mätningar och undertryckande av kvantfel. I den tredje delen presenteras kvantalgoritmer, hybridsystem och möjliga alternativ för skalning av en kvantdator vid MU -centra. Dessutom kommer vi att diskutera utsikterna för deras praktiska användning som enkelfotonkällor och magnetometrar.

2. MU -CENTRUM I DIAMOND: ALLMÄNT

INFORMATION OCH GRUNDLÄGGANDE EGENSKAPER

ME -centrumets struktur i diamant visas i fig. 1a. Som kan ses ligger kväveatomen och vakansen på en av huvuddiagonalerna ((111)) på det ansiktscentrerade kubiska diamantgitteret, som i detta fall också är symmetriaxeln för vårt centrum (z-axeln). Detta innebär att det finns fyra möjliga orienteringar av ME -centrum i förhållande till kristallgitteret på substratet. När en tetravalent kolatom ersätts av femvärd kväve, visas ytterligare en elektron i gallret, och när en närliggande vakans bildas frigörs ytterligare fyra elektroner - tre från närliggande kolatomer som ligger vid hörnen av en liksidig triangel i xy -planet , genom vars centrum z -axeln passerar, och en från atomen kväve. Motsvarande fyra oparade d-orbitaler är orienterade mot den bildade vakansen. Dessutom indikerar experiment övertygande att ofta är en sjätte elektron kopplad till dessa fem elektroner associerade med centrum, tydligen från en annan kväveatom. Detta innebär att centrum antingen kan vara neutralt (MU0, cirka 30% av deras totala antal) eller negativt laddade (MU-, cirka 70%). ME -centrumets isotopkomposition beror på den relativa koncentrationen av olika isotoper av kväve och kol i en given kristall. Vanligtvis är kväveisotopen 14M med kärnspinnet I = 1 rådande i naturlig diamant, medan fraktionen av 15M -isotopen med kärnspinnet I = 1/2 bara är 0,37%. Den snurrfria kolisotopen 12C dominerar också, och 13C -isotopen med

kärnspinn I = 1/2 förekommer i kristallgitteret med en sannolikhet på 1%.

MU -centrumets fysiska egenskaper bestäms av dess struktur. Låt oss kort sammanfatta de viktigaste av dem. Såsom följer av resultaten från många experiment är centrifugeringsvågfunktionen i det markbundna tillståndet koncentrerad till vakansområdet. I detta fall är centrumets paramagnetiska marktillstånd med en stark polarisering av elektronspinnet (t = 1, w, = 0, +1, -1) endast inneboende i ME -formen. Centrumet absorberar aktivt grönt ljus vid en våglängd av X = 532 nm och visar stabil fluorescens i det röda våglängdsområdet X ~ 630-800 nm med en topp på nollfononlinjen vid X = 637 nm. Spektroskopiska mätningar indikerar långa tider av spinnavslappning (τ1 ~ 1 ms) och avfasning (τ2 ~ 10 μs) vid rumstemperatur. En mycket viktig omständighet är fluorescensens spinberoende karaktär, vilket gör det möjligt att mäta och initiera elektronspinnet genom spännande optiska övergångar. En teoretisk förklaring av dessa och andra egenskaper hos ME -centret, som kräver en detaljerad analys av dess struktur, kommer att ges nedan. Vi lägger till att fluorescens från enstaka centra kan observeras visuellt med hjälp av ett konventionellt optiskt konfokalt mikroskop. Den första sådana observationen avser 1997 (se fig. 1b).

De data som hittills har samlats in gör det möjligt att hävda att ME -centra uppfyller ovanstående krav och kan betraktas som qubits. Således betyder paramagnetism i ett negativt laddat centrum splittringen av snurrmultiplet i frånvaro av ett externt magnetfält och gör det möjligt att separera undernivåer med w = 0 och w = -1 (eller +1) till ett logiskt delrum. Storleken på klyvningen för markbanestatus är = 2,87 GHz, vilket gör det möjligt att utföra övergångar \ m5 = 0 ^ \ m5 = -1 (+1)) mellan logiska tillstånd, det vill säga att utföra en bit kvantoperationer genom att verka på ME -centret med en resonant mikrovågsimpuls. Långa livslängder för centrets centrifugeringstillstånd vid rumstemperaturer säkerställs också av ett stort antal sådana elementära kvantoperationer. Alla dessa fakta ger anledning att betrakta ME-centra som mycket lovande solid-state qubits.

Här är de viktigaste experimentella resultaten som erhållits med användning av ME-centra och fokuserade på bearbetning av kvantinformation. För närvarande bedrivs intensiv forskning som syftar till att skapa en ordnad matris av enstaka centra som grund för fullskaliga kvantregioner.

Ris. 1. Fragment av kristallgitteret av diamant (a), innehållande N ^ centrum, och den elektroniska strukturen hos valensskal av kol och kväve; (b) den första fotografiska bilden av fluorescerande N ^ centra i diamant.

strov. Vidare demonstrerades sammanhängande operationer med enkelspinn (både elektroniska och nukleära) vid rumstemperatur, liksom två- och trekvitbandsoperationer på ett N ^ -centrum med deltagande av elektronspinn och kärnsnurr av kväve och kol. Bland de enklaste kvantalgoritmerna bör nämnas den nyligen implementerade Deutsch-Jozsa-algoritmen, liksom system för att generera intrasslade spinntillstånd. Korrigering av kvantfel uppnås genom användning av refokuseringstekniker anpassade från EPR -spektroskopi och

A. V. TSUKANOV - 2015

13:07 17.10.2013

Experter från LPI Gas Laser Laboratory har lyckats utveckla två metoder för precisionsmikroskalmarkering av diamanter. Enligt institutets webbplats skapas här etiketter, osynliga för blotta ögat, med strålning från en femtosekundlaser.

Sergey Kudryashov, Leonid Seleznev, Alexei Levchenko och Dmitry Sinitsyn har utvecklat ett sätt att skapa ett slags "kvalitetsmärken". En diamant utsätts för strålning från en femtosekundlaser, vilket skapar en ökad koncentration av lediga platser (defekter i diamantgitteret, där det inte finns några kolatomer).

Användningen av en femtosekundlaser istället för elektronstrålar eller strålar av alla högenergipartiklar (enhetlig koncentration av lediga platser genom hela volymen) gör det möjligt att uppnå en lokal effekt - att rita den "bilden" som krävs med små kluster av lediga platser.

Då kan dessa vakanser binda sig till orenliga kväveatomer, som vanligtvis finns i en diamant i betydande koncentrationer, och bilda ett NV-centrum (kväve-vakanscenter), vilket är mycket användbart för diamantmarkeringsdefekt: vid bestrålning med synligt ljus, t.ex. NV- centren börjar fluorescera och tillämpningen av ett externt mikrovågsfält kan ändra fluorescensintensiteten.

Enligt Alexei Levchenko kan diamanter också innehålla andra föroreningar som lyser under påverkan av yttre strålning. När du slår på mikrovågsfältet kan du se vår föränderliga signal mot bakgrunden av alla dessa ljud, och om du skapar en osynlig mikrokluster av NV -center kan du läsa av diamantmärket genom fluorescens i mikrovågsfältet.

Den andra metoden för att markera ädelstenar använder också strålning från en femtosekundlaser, men till skillnad från den första, här istället för att skapa lediga platser, bildas inkluderingar av en amorf kolfas.

Glasartade koltestlinjer bildas under inverkan av mycket fokuserad femtosekundlaserstrålning. (A) på ytan av en diamant, linjebredd - 3 μm; (B) i sin volym är bredden på den tunna linjen cirka 1 μm. Foto från sajten fian-inform.ru

Sergey Kudryashov noterar att femtosekundlaserstrålning kan fokuseras på olika djup inuti transparenta material, och därför kan denna teknik skapa en unik tredimensionell märkning. I de utförda experimenten bildades framgångsrikt volymetriska mikroskalmärken på konstgjorda och naturliga diamanter.

Under normala förhållanden är märket inte synligt även under ett mikroskop, det minskar inte stenens värde; under påverkan av laserstrålning börjar det fluorescera starkt. Märket skapas inuti diamanten och kan inte poleras eller sågas av. Foto från sajten fian-inform.ru