Olmosda kvant kompyuteri yaratilgan. LFI olmosdagi Nv markazlarini belgilovchi ko'rinmas belgilarni yaratishning ikkita usulini ishlab chiqdi

Lebedev nomidagi fizika instituti va Rossiya kvant markazi (RQC) qo‘shma laboratoriyasida olmos ustidagi kvant kompyuterining modeli yaratildi.

Kvant mexanikasi zamonaviy fanning asosiy ustunlaridan biridir jismoniy tadqiqotlar. Elementar zarralar va mikroelektronika uzoq vaqtdan beri dunyoning kvant qonunlariga muvofiq yashab kelgan. Kvant mexanikasi harakat hajmi Plank doimiysi bilan solishtirish mumkin bo'lganda ishlay boshlaydi. Deb atalmish yangi fanlar, kvant mexanikasi va kompyuter fanlari chorrahasida joylashgan, masalan, kvant axborot nazariyasi va informatika. Klassik ma'lumotlar 0 va 1 ko'rinishdagi bitlarda ifodalanadi. Kvant axborot nazariyasida xotira katakchasi 0 va 1 holatlarning superpozitsiyasini saqlaydigan kubitdir.

Lebedev nomidagi fizika institutining gaz lazerlari laboratoriyasi xodimlari - Sergey Kudryashov, Aleksey Levchenko, Leonid Seleznev va Dmitriy Sinitsin olmosni femtosekund lazer nurlanishiga ta'sir qilish orqali unda bo'sh ish o'rinlari (olmosdagi nuqsonlar) kontsentratsiyasini oshirishga muvaffaq bo'lishdi. uglerod atomlari bo'lmagan panjara). FIAN tadqiqotchisi sharhlaydi Aleksey Levchenko:

« Odatda, bo'sh ish o'rinlari elektron nurlar yoki har qanday yuqori energiyali zarrachalarning nurlari yordamida yaratiladi. Ushbu usul namunaning butun hajmi bo'ylab bo'sh ish o'rinlarining bir xil konsentratsiyasini beradi. Femtosekundli lazer yordamida, aksincha, siz shunga o'xshash, ammo mahalliy effektga erishishingiz mumkin - kerakli "rasm" ni chizish uchun kichik bo'sh ish o'rinlari klasterlaridan foydalangan holda.

Keyin bu bo'sh ish o'rinlari, odatda, olmosning asosiy qismida sezilarli konsentratsiyalarda mavjud bo'lgan nopoklik azot atomlari bilan aloqa qilishlari va NV markazi (azot-vakansiya markazi) deb ataladigan narsani hosil qilishlari mumkin - olmos belgilari uchun juda "foydali" nuqson. Haqiqat shundaki, ko'rinadigan yorug'lik bilan nurlantirilganda, NV markazlari xarakterli ravishda lyuminestsatsiyalana boshlaydi va tashqi mikroto'lqinli maydonni qo'llash ham bu floresansning intensivligini o'zgartirishi mumkin.

« Olmosda tashqi nurlanish ta'sirida (pushti, sariq, ko'k olmoslar) porlaydigan boshqa aralashmalar bo'lishi mumkin, shuning uchun mikroto'lqinli maydonni yoqish orqali biz bu shovqinning fonida o'zgaruvchan signalimizni ko'rishimiz mumkin. . Agar siz NV markazlarining ko'rinmas mikroklasterini yaratsangiz - tom ma'noda mikrongacha bo'lgan hajmdagi o'tkir fokus tufayli, siz mikroto'lqinli maydonda floresans orqali olmosning belgisini o'qishingiz mumkin. – Aleksey Levchenko.

Lebedev nomidagi fizika instituti va Rossiya kvant markazining qo'shma laboratoriyasi olmos rang markazlari va NV markazlarini o'rganmoqda. Lekin NV markazi nima? Atomdagi bitta uglerod o'rniga azot atomi almashtirilgan (sariq olmoslar azot aralashmasi tufayli sariq rangga ega) va qo'shni atom yo'q bo'lgan uglerod (olmos) matritsasini ko'rib chiqaylik. Olingan tizim NV markazi yoki rang markazi deb ataladi. Shunga ko'ra, N - azot, V - bo'sh joy. Ushbu rang markazining o'qi bor. Ushbu o'qdagi elektron spin proyeksiyasi saqlanib qoladi va qubit sifatida xizmat qilishi mumkin. Ushbu spin bu kiritishda ishtirok etgan barcha elektronlarning umumiy spinidir. Shunga ko'ra, biz bu spinni kvant xotirasi sifatida ishlatishimiz mumkin.

Nanosoniya va pikosoniya oralig'idagi lazer nurlanishining modda bilan o'zaro ta'siri bo'yicha tadqiqotlar o'tkazish uchun "PIKO" kuchli lazer qurilmasi. Chapdan o'ngga: Mixaylov Yu.A. Kutsenko A.V.

« Siz nol proyeksiyasi bilan, bu o'qda bir proyeksiyasi yoki "nol plyus bir" superpozitsiyasi bilan holat yaratishingiz mumkin, unda nol va bir superpozitsiyada qandaydir og'irlik bilan ifodalanadi. NV markazining porlashi bilan siz uning holatini aniqlashingiz mumkin. Agar u nol holatda bo'lsa, u yanada yorqinroq porlaydi. Agar u bir holatda bo'lsa, u kamroq yorqinroq. Biz uning qaerdaligini uning yorqinligi bilan aniqlash imkoniyatiga egamiz. Go'yo sizda ikkita lampochka bor, nol va bitta."- Lebedev nomidagi fizika institutining katta ilmiy xodimi, RQC kvant simulyatorlari va integral fotonika guruhi rahbari, fizika-matematika fanlari nomzodi ishini sharhlaydi. Aleksey Akimov.

Bundan tashqari, biz radiochastota maydoni yordamida davlatni manipulyatsiya qilish imkoniyatiga egamiz. Ikki nol va bir holat o'rtasida impuls qo'llash orqali oraliq holatlarni yoki bir holatdan ikkinchi holatga to'liq o'tishni tashkil qilish mumkin. Hammasi pulsning davomiyligiga bog'liq, odatda bu muddat o'nlab nanosekundlar tartibida bo'ladi. Shunday qilib, biz kvant holatlarini markazlarimizning bo'shashish vaqtlaridan tezroq, juda tez tayyorlashimiz mumkin. Ya'ni, biz doimo yashil chiroqni yoqib, keyin radio chastotasi maydonini qo'llash orqali kerakli holatni tayyorlashimiz mumkin.

« Ammo agar biz yadro spinidan foydalana olmasak, unchalik qiziq bo'lmasdi. Rang markazi va yadro spini 13 C yaqin bo'lishi mumkinligi sababli ular o'rtasida magnit o'zaro ta'sir paydo bo'ladi, bu ma'lumotni elektron spinidan yadro spiniga va aksincha qayta yozishga imkon beradi. Yadro spini tashqi dunyo bilan kamroq o'zaro ta'sir qilganligi sababli, u ko'proq izolyatsiya qilingan, uzoq muddatli xotiradir. Yadro spinida ma'lumot ancha uzoqroq saqlanishi mumkin, bu vaqt bir necha soniyagacha qisqaradi" - deydi Aleksey Akimov

Kvant mexanikasi qonunlari bo'yicha hisob-kitoblarni amalga oshirish qobiliyati matematiklar, fiziklar va dasturchilar uchun yangi imkoniyatlarning ulkan maydonini ochadi. Ammo yangi hisoblash algoritmlari hayotimizga yangi o'yin qoidalarini ham kiritadi, masalan, klassik nuqtai nazardan kuchli bo'lgan RSA shifrlash algoritmi Shorning kvant algoritmiga nisbatan zaif bo'lib qoladi. Shor algoritmi bir xil tub sonlarni ko'paytirish bilan taqqoslanadigan vaqt ichida klassik algoritmlarga qaraganda ancha tezroq tub sonni faktoring qilish qobiliyatiga ega. Va eng keng tarqalgan va xavfsiz RSA shifrlash usullaridan biri asosiy faktorizatsiyadan foydalanishga asoslangan. Lebedev nomidagi fizika institutida yaratilgan olmos rang markazlaridagi bir necha kubitlardan tashkil topgan kvant kompyuterining modeli bunday kvant algoritmlarining ishlash imkoniyatini ko'rsatish uchun mo'ljallangan.

B. Massalimov, ANI "FIAN-inform"

Men, o'z navbatida, umid qilamanki, ushbu maqola tufayli SUN o'quvchilari sehrli tayoq nima ekanligini, Santa Klaus, monarx va oddiy sehrgar nima ekanligini va u qanday ishlashini taxmin qilishadi.

MIKROELEKTRONIKA, 2012 yil, 41-jild, №2, bet. 104-119

KVANT INFORMATIKA:

DIAMONDDAGI NV MARKAZLARI. I QISM. UMUMIY MA'LUMOT, ISHLAB CHIQARISH TEXNOLOGIYASI, SPEKTR TUZILISHI

© 2012 A. V. Tsukanov

Rossiya Fanlar akademiyasining Fizika-texnika instituti E-mail: [elektron pochta himoyalangan] Tahririyat tomonidan 2011 yil 31 martda olingan.

Kvant tizimi batafsil ko'rib chiqiladi, bu eksperimental kvant axborot fanida eng mashhur va istiqbollilaridan biri - olmosdagi NV markazi. Biz o'quvchilar e'tiborini so'nggi bir necha yil ichida olingan natijalarga qaratamiz va NV markazlarini ishlab chiqarish, nazorat qilish, o'lchash va ulardan kvant ma'lumotlarining elementar tashuvchilari sifatida foydalanish bilan bog'liq keng ko'lamli masalalarni qamrab olamiz. To'liq hajmli kvant kompyuterini yaratish muammosi muhokama qilinadi.

1.KIRISH

Kvant ma'lumotlarini qayta ishlash g'oyasi 20-asrning oxirida paydo bo'lgan va hozirda fanning turli sohalarida ishlaydigan ko'plab tadqiqotchilar uchun eng jozibali va qiziqarli g'oyalardan biriga aylandi. Eksperimental va texnologik bazaning rivojlanishi bilan kvant kompyuterini yaratish shunchaki spekulyativ bo'lishni to'xtatdi. nazariy muammo, murakkab, ammo qiziqarli amaliy muammoga aylantirildi.

Kvant kompyuterining elementar yacheykasi sifatida - kvant biti yoki qubit - holatini samarali boshqarish mumkin bo'lgan ikki darajali tizim tanlanadi. Qubitni ifodalovchi tizim bir qator o'ziga xos xususiyatlarga ega deb taxmin qilinadi. Bularga a) energiya spektrining yuqori diskretligi kiradi, bu tizimning to'liq Gilbert holati fazosidan ikkita mantiqiy holatni 10) va 11 kubitni ajratish imkonini beradi, b) energiyani ishga tushirish, boshqarish va o'lchashni ta'minlaydigan jismoniy mexanizmlarning mavjudligi. qubit holati va c) mantiqiy holatlarning uzoq bo'shashish va pasayish vaqtlari. Ko'p sonli sinxron ishlaydigan kubitlardan tashkil topgan to'liq miqyosli kvant kompyuterini qurish ikkita ixtiyoriy kubit o'rtasidagi o'zaro ta'sirni boshqarish qobiliyatini ham nazarda tutadi. Umuman olganda, qubitlar sonini amaliy foydali songa (bir necha mingga) ko'paytirish qattiq jismli tuzilmalarda amalga oshirilishi mumkin. Bunday kvant tizimlarini (o'ta o'tkazgich elementlari, yarimo'tkazgichli kvant nuqtalari, implantatsiyalanganlar) hisobga olgan holda bir nechta istiqbolli yo'nalishlar mavjud.

vanna atomlari) qubitlar rolida. Ularning barchasi yuqoridagi talablarni juda past darajada qondiradi (<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.

Ushbu ishning asosiy maqsadi qisqacha, lekin iloji boricha o'quvchini Li-markazlari, ularning tuzilishi va fizik xususiyatlari, shuningdek, ularning joylashuvi bilan tanishtirishdir.

zamonaviy eksperimental fizikada past o'lchamli tuzilmalarni egallaydi. To'g'ridan-to'g'ri kvant hisoblash bilan bog'liq bo'lgan natijalarni batafsil muhokama qilishga e'tibor qaratgan holda, biz MU markazlarining holatini izchil manipulyatsiya qilish bilan bog'liq boshqa sohalarga e'tibor qaratamiz. Ko'rib chiqishning birinchi qismida biz MU markazlarining asosiy xususiyatlarini, ularni ishlab chiqarish texnologiyasini va spektrning guruh-nazariy tahlilini ko'rib chiqamiz. Ikkinchi qism markazning orbital va spin holatini boshqarish, elementar kvant operatsiyalari, ishga tushirish, o'lchash va kvant xatolarini bostirish masalalariga bag'ishlangan. Uchinchi qism kvant algoritmlari, gibrid tizimlar va MU markazlarida kvant kompyuterini masshtablashning mumkin bo'lgan variantlarini taqdim etadi. Bundan tashqari, biz ulardan bir fotonli manbalar va magnitometrlar sifatida amaliy foydalanish istiqbollarini muhokama qilamiz.

2. OLMOZDAGI MU-MARKAZLAR: UMUMIY

MA'LUMOT VA ASOSIY XUSUSIYATLARI

Olmosdagi MU markazining tuzilishi rasmda ko'rsatilgan. 1a. Ko'rinib turibdiki, azot atomi va bo'sh joy yuz markazli kubik olmos panjarasining asosiy diagonallaridan birida ((111)) yotadi, bu holda bu bizning markazimizning simmetriya o'qi (z o'qi). Bu shuni anglatadiki, substratning kristall panjarasiga nisbatan MU markazining to'rtta mumkin bo'lgan yo'nalishi mavjud. Tetravalent uglerod atomi besh valentli azot atomi bilan almashtirilganda, panjarada qo'shimcha elektron paydo bo'ladi va qo'shni bo'sh joy hosil bo'lganda, yana to'rtta elektron chiqariladi - uchtasi teng qirrali uchburchakning uchlarida joylashgan yaqin atrofdagi uglerod atomlaridan. xy tekisligi, uning markazidan z o'qi o'tadi va atom azotidan biri. Tegishli to'rt juft bo'lmagan ^-orbitallar hosil bo'lgan vakansiya tomon yo'naltirilgan. Bundan tashqari, tajribalar shuni ko'rsatadiki, ko'pincha markaz bilan bog'langan bu beshta elektron boshqa azot atomidan bo'lgan oltinchi elektron bilan birlashadi. Bu shuni anglatadiki, markaz neytral (MU0, ularning umumiy hajmining taxminan 30%) yoki manfiy zaryadlangan (MU-, taxminan 70%) bo'lishi mumkin. MU markazining izotopik tarkibi ma'lum kristaldagi azot va uglerodning turli izotoplarining nisbiy konsentratsiyasiga bog'liq. Odatda, tabiiy olmosda yadro spini I = 1 bo'lgan 14M azot izotopi ustunlik qiladi, yadro spini I = 1/2 bo'lgan 15M izotopining ulushi esa atigi 0,37% ni tashkil qiladi. Uglerod 12C ning spinsiz izotopi ham ustunlik qiladi va 13C izotopi bilan

yadro spini I = 1/2 1% ehtimollik bilan kristall panjarada sodir bo'ladi.

MU markazining fizik xususiyatlari uning tuzilishi bilan belgilanadi. Keling, ulardan eng muhimlarini qisqacha sanab o'tamiz. Ko'pgina tajribalar natijalariga ko'ra, erning orbital holatidagi spin to'lqini funktsiyasi bo'sh hududda to'plangan. Bunday holda, elektron spinining kuchli polarizatsiyasi (^ = 1, w, = 0, +1, -1) bo'lgan markazning paramagnit asosiy holati faqat MY- ko'rinishiga xosdir. Markaz X = 532 nm to'lqin uzunligida yashil yorug'likni faol ravishda yutadi va X = 637 nm da nol fonon chizig'i cho'qqisi bilan X ~ 630-800 nm qizil to'lqin uzunligi oralig'ida barqaror floresansni namoyish etadi. Spektroskopik o'lchovlar xona haroratida aylanishning uzoq vaqtlarini (t1 ~ 1 ms) va defazani (t2 ~ 10 ms) ko'rsatadi. Flüoresansning spinga bog'liqligi juda muhim holat bo'lib, u hayajonli optik o'tishlar orqali elektron spinni o'lchash va ishga tushirish imkonini beradi. MU markazining tuzilishini batafsil tahlil qilishni talab qiluvchi ushbu va boshqa xususiyatlarining nazariy izohi quyida keltiriladi. Qo'shimcha qilaylikki, bitta markazdan floresansni an'anaviy optik konfokal mikroskop yordamida vizual ravishda kuzatish mumkin. Birinchi bunday kuzatuv 1997 yilga to'g'ri keladi (1b-rasmga qarang).

Bugungi kunga qadar to'plangan ma'lumotlar shuni ko'rsatadiki, MU markazlari yuqoridagi talablarga javob beradi va ularni kubitlar deb hisoblash mumkin. Shunday qilib, manfiy zaryadlangan markazning paramagnetizmi tashqi magnit maydon bo'lmaganda spin multipletining bo'linishini anglatadi va w = 0 va w = -1 (yoki +1) bilan pastki darajalarni mantiqiy pastki fazoga ajratish imkonini beradi. Erning orbital holati uchun bo'linish qiymati = 2,87 GGts ni tashkil qiladi, bu mantiqiy holatlar o'rtasida \m5 = 0 ^ \m5 = -1 (+1)) o'tishga imkon beradi, ya'ni MU markaziga ta'sir qiluvchi bir kubitli kvant operatsiyalarini bajarishga imkon beradi. rezonansli mikroto'lqinli impuls bilan. Xona haroratida markazning spin holatining uzoq umr ko'rishi ham shunday elementar kvant operatsiyalarining ko'p sonini ta'minlaydi. Bu faktlarning barchasi MU markazlarini juda istiqbolli qattiq holat kubitlari deb hisoblashga asos beradi.

Keling, MU markazlari yordamida olingan va kvant ma'lumotlarini qayta ishlashga qaratilgan asosiy eksperimental natijalarni taqdim etamiz. Hozirgi vaqtda to'liq miqyosli kvant mintaqalari uchun asos sifatida yagona markazlarning tartiblangan matritsasini yaratish maqsadida jadal tadqiqotlar olib borilmoqda.

Guruch. 1. N^ markazni o'z ichiga olgan olmos kristall panjarasining (a) bo'lagi va uglerod va azotning valentlik qobig'ining elektron tuzilishi; (b) - olmosdagi lyuminestsent N^ markazlarining birinchi fotografik tasviri.

strov. Keyinchalik, xona haroratida bitta spinli (ham elektron, ham yadro) kogerent operatsiyalar, shuningdek, elektron spini va azot va uglerodning yadro spinlarini o'z ichiga olgan yagona Li^ markazida ikki va uch kubitli operatsiyalar ko'rsatildi. Eng oddiy kvant algoritmlari orasida yaqinda amalga oshirilgan Deutsch-Jossa algoritmini, shuningdek, chigal aylanish holatlarini yaratish sxemalarini eslatib o'tish kerak. Kvant xatolarini tuzatishga EPR spektroskopiyasidan moslashtirilgan refokuslash usullaridan foydalanish orqali erishiladi.

Tsukanov A.V. - 2015 yil

13:07 17.10.2013

Lebedev nomidagi fizika institutining gaz-lazer laboratoriyasi mutaxassislari olmoslarni mikro miqyosda aniq belgilashning ikkita usulini ishlab chiqishga muvaffaq bo'lishdi. Institut veb-saytida xabar qilinganidek, yalang'och ko'zga ko'rinmaydigan belgilar femtosekund lazer nurlanishi yordamida yaratiladi.

Sergey Kudryashov, Leonid Seleznev, Aleksey Levchenko va Dmitriy Sinitsyn noyob "sifat belgilari" yaratish usulini ishlab chiqdilar. Olmos femtosekundlik lazer nurlanishiga ta'sir qiladi, bu bo'sh ish o'rinlarining ko'payishiga olib keladi (uglerod atomlari bo'lmagan olmos panjarasidagi nuqsonlar).

Elektron nurlari yoki har qanday yuqori energiyali zarrachalar nurlari o'rniga femtosekundli lazerdan foydalanish (butun hajmdagi bo'sh ish o'rinlarining bir xil kontsentratsiyasi) mahalliy effektga erishishga imkon beradi - bo'sh ish o'rinlarining kichik klasterlari bilan kerakli "rasm" ni chizish.

Keyin bu vakansiyalar, qoida tariqasida, olmosda sezilarli konsentratsiyalarda mavjud bo'lgan azot atomlari bilan aloqa qilishlari mumkin va NV markazini (azot-vakansiya markazi) hosil qiladi, bu olmos belgilari uchun juda foydali nuqson: ko'rinadigan yorug'lik bilan nurlantirilganda. , bunday NV- markazlar floresan boshlaydi va tashqi mikroto'lqinli maydonni qo'llash floresan intensivligini o'zgartirishi mumkin.

Aleksey Levchenkoning so'zlariga ko'ra, olmos tarkibida tashqi nurlanish ta'sirida porlaydigan boshqa aralashmalar ham bo'lishi mumkin. Mikroto'lqinli maydonni yoqish orqali biz bu shovqinning fonida o'zgaruvchan signalimizni ko'rishimiz mumkin va agar biz NV markazlarining ko'rinmas mikroklasterini yaratsak, bu bizga mikroto'lqinli maydonda floresans orqali olmos belgisini o'qish imkonini beradi.

Qimmatbaho toshlarni belgilashning ikkinchi usuli ham femtosekund lazer nurlanishidan foydalanadi, ammo birinchisidan farqli o'laroq, bo'sh o'rinlarni yaratish o'rniga bu erda amorf uglerod fazasining qo'shimchalari hosil bo'ladi.

Shishasimon uglerod sinov chiziqlari yuqori darajada fokuslangan femtosekund lazer nurlanishi natijasida hosil bo'ladi. (A) olmos yuzasida, chiziq kengligi - 3 mkm; (B) uning hajmida ingichka chiziqning kengligi taxminan 1 mkm. Surat fian-inform.ru saytidan olingan

Sergey Kudryashovning ta'kidlashicha, femtosekundli lazer nurlanishi shaffof materiallar ichida turli xil chuqurliklarga yo'naltirilishi mumkin va shuning uchun bu texnologiya noyob uch o'lchamli belgilarni yaratishga imkon beradi. O'tkazilgan tajribalarda sun'iy va tabiiy olmoslarda hajmli mikroshkala belgilari muvaffaqiyatli shakllantirildi.

Oddiy sharoitlarda, belgi mikroskop ostida ham ko'rinmaydi, toshning qiymatini kamaytirmaydi, lazer nurlanishi ta'sirida u yorqin lyuminestsatsiya qila boshlaydi. Belgi olmos ichida yaratilgan va uni sayqallab bo'lmaydi yoki pastga tushirib bo'lmaydi. Surat fian-inform.ru saytidan olingan