Память на алмазах

Создано устройство квантовой памяти, способное хранить информацию рекордно долго

Создано устройство твердотельной квантовой памяти, способное хранить информацию до полутора суток при комнатной температуре. Это беспрецедентно большой показатель для квантовых вычислительных систем.

Устройства памяти на основе квантовых битов, или кубитов, имеют огромное преимущество перед классическими на основе битов, которые используются в современных компьютерах.

Читайте также

Во-первых, с точки зрения количества информации, которую эти системы способны сохранять в одном регистре. Так, если классический бит может принимать только два возможных логических состояния — 0 и 1, кубит в силу эффекта квантовой суперпозиции, когда система может находиться в двух состояниях одновременно, может принимать не два, а теоретически бесконечное число состояний,

оперируя которыми посредством специальных процедур и алгоритмов можно записывать и считывать с одного квантового регистра (набора кубитов) несравнимо больше данных, чем в случае классического бинарного.

Во-вторых, считать данные с кубит-регистра можно лишь посредством физической процедуры, параметры которой уникальны и известны только тому, кто ее записал, в противном случае (при неправильном считывании) эта информация будет потеряна. Теоретически это делает квантовую память абсолютно неуязвимой для несанкционированного копирования, хотя практическая реализация квантовых устройств будет оставлять для взломщиков некоторые лазейки, но несопоставимо более сложные по сравнению с бинарной.

Устройства памяти на основе кубитов могут успешно функционировать лишь при двух и, в известном смысле, тоже взаимоисключающих условиях.

Квантовая суперпозиция — нестабильное состояние, крайне чувствительное к любым внешним воздействиям, поэтому кубит-регистры должны быть максимально изолированы от окружающей среды. Но одновременно они должны и обмениваться с этой средой сигналами, в противном случае устройство квантовой памяти теряет всякий смысл. Примирить два конфликтующих условия пока удается лишь в лабораториях, поэтому почти все сообщения об очередном «прорыве» при манипуляциях с квантовыми битами сопровождаются фотографиями громоздких криогенных установок, вакуумных камер, лазеров и микроволновых излучателей, что, естественно, ставит практическую составляющую «прорыва» — создание квантовых вычислительных устройств, доступных обычным людям — под большой вопрос.

А вот о прорыве, достигнутом группой, объединившей исследователей из Института квантовой оптики Макс Планка, Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института, чью статью публикует Science, можно писать уже без скобок.

Их вариант кубит-регистра, реализованный на основе искусственного алмазного кристалла, сохраняет стабильность более секунды при комнатной температуре и с довольно скромным набором оборудования, включающим в себя зеленый лазер, микроволновой и радио-излучатель плюс сверхчувствительный датчик фотонов.

Для сравнения, в предыдущих экспериментах время жизни квантового регистра на кубитах такого типа составляло всего одну тысячную секунды.

Роль кубита в «алмазной» памяти выполняет атом углерода, точнее атом изотопа углерода С13. Ядро изотопа обладает так называемым ядерным спином, генерирующим магнитный момент, благодаря которому оно ведет себя как магнитик, ориентированный параллельно (тогда значение кубита равно условной «единице») или перпендикулярно (тогда его значение равно условному «нулю») магнитному полю, приложенному извне. Благодаря эффекту квантовой суперпозиции ядро может находиться в двух состояниях одновременно — «параллельном» и «перпендикулярном», что и позволяет записать в набор таких кубитов больше информации, чем в классический бинарный регистр.

Однако все операции по обмену информацией с такими кубитами происходят не напрямую, а посредством так называемого азот-вакантного центра, который, собственно, и является главным изобретением исследователей, позволившим удлинить время жизни кубита до одной секунды.

А в перспективе, как пишут авторы статьи, это время может быть увеличено до 36 часов, то есть до полутора суток — беспрецедентный показатель для квантовых вычислительных систем!

Азот-вакантный центр представляет собой небольшой искусственно созданный дефект в алмазной кристаллической решетке, возникающий, если в процессе выращивания кристалла подмешивать к атомам углерода атомы азота. В этом случае в непосредственной близости от атома азота образуется «вакансия», не занятая углеродным атомом. Такой азот-вакантный центр тоже обладает спином и может формировать кубит, состоянием которого можно управлять с помощью микроволнового излучения и лазерных импульсов. Более того, меняя его спин, можно косвенно контролировать и квантовые состояния углеродного атома, так как азот-вакантный центр и атом углерода образуют вместе локальную систему из двух взаимодействующих магнитов.

Главный же трюк состоит в том, что отзывчивость на внешнее воздействие у двух этих компонентов разная, и, подобрав правильную комбинацию световых и радиоимпульсов, можно использовать более «отзывчивый» азот-вакантный центр в качестве промежуточного и более быстрого слоя, считывающего и записывающего информацию в углеродный кубит.

Сейчас время между моментом записи и считывания информации в алмазный кубит составляет 1,4 секунды, но теоретически она может вырасти до суток и более, если удастся подавить паразитную интерференцию азот-вакантных центров и углеродных атомов. Расчеты, сделанные группой, говорят о том, что сделать это можно с помощью дополнительных контрольных импульсов и уменьшения концентраций С13 в искусственном кристалле, не прибегая к его охлаждению до сверхнизких температур.

Конечно, 36 часов живучести для внедрения подобной технологии на широкий рынок — показатель слишком скромный. Но для сетевых криптозащищенных систем, генерирующих, например, временные ключи, время жизни которых исчерпывается даже не сутками, а секундами, это более чем достаточно.