LFI a dezvoltat două metode pentru a crea marcaje invizibile de diamant. Un computer cuantic a fost creat în centrele diamantului Nv din diamant

În laboratorul comun al Institutului de Fizică Lebedev și al Centrului Cuantic Rus (RQC), a fost creat un model de computer cuantic pe diamant.

Mecanica cuantică este unul dintre principalii piloni ai cercetării fizice moderne. Particulele elementare și microelectronica au trăit mult timp în conformitate cu legile cuantice ale lumii. Mecanica cuantică începe să funcționeze atunci când dimensiunea acțiunii este comparabilă cu constanta lui Planck. Așa-numitele științe noi, situate la intersecția dintre mecanica cuanticăși informatică, cum ar fi teoria cuantică a informațiilor și informatica. Informația clasică este reprezentată în biți de forma 0 și 1. În teoria informației cuantice, o celulă de memorie este un qubit, care stochează o suprapunere a stărilor 0 și 1.

Angajații Laboratorului de Lasere cu gaz al Institutului de Fizică Lebedev - Serghei Kudryashov, Alexey Levchenko, Leonid Seleznev și Dmitri Sinitsyn, prin expunerea diamantului la radiații laser de femtosecunde, au reușit să creeze în el o concentrație crescută de locuri libere (defecte ale diamantului). rețea unde nu există atomi de carbon). comentează cercetătorul FIAN Alexei Levcenko:

« De obicei, locurile libere sunt create folosind fascicule de electroni sau fascicule de orice particule de înaltă energie. Această metodă oferă o concentrație uniformă de locuri vacante pe întregul volum al probei. Folosind un laser de femtosecundă, dimpotrivă, puteți obține un efect similar, dar local - folosind mici grupuri de locuri libere pentru a desena „imaginea” necesară.

Apoi, aceste locuri libere pot intra în contact cu atomii de azot de impurități, care sunt de obicei prezenți în cea mai mare parte a diamantului în concentrații semnificative și formează așa-numitul centru NV (centrul de azot vacant) - un defect foarte „util” pentru marcarea diamantelor. Faptul este că atunci când sunt iradiați cu lumină vizibilă, centrii NV încep să fluoresce în mod caracteristic, iar aplicarea unui câmp extern de microunde poate modifica și intensitatea acestei fluorescențe.

« Pot exista și alte impurități într-un diamant care strălucesc sub influența radiațiilor externe (roz, galben, diamante albastre), prin urmare, pornind câmpul cu microunde, vom putea vedea schimbarea semnalului nostru pe fundalul acestui zgomot. . Dacă creați un microcluster invizibil de centre NV - datorită focalizării clare într-un volum până la un micron, atunci puteți citi ulterior marca diamantului nostru prin fluorescență într-un câmp de microunde. – Alexei Levcenko.

Laboratorul comun al Institutului de Fizică Lebedev și al Centrului Cuantic din Rusia studiază centrele de culoare a diamantelor și centrele NV. Dar ce este un centru NV? Să luăm în considerare o matrice de carbon (diamant) în care în loc de un carbon din atom este înlocuit un atom de azot (diamantele galbene sunt galbene din cauza amestecului de azot), iar atomul vecin lipsește. Sistemul rezultat se numește centru NV sau centru de culoare. În consecință, N este azot și V este un loc vacant. Acest centru de culoare are o axă. Proiecția spinului electronului pe această axă este păstrată și poate servi ca un qubit. Acest spin este spinul total al tuturor electronilor implicați în această inserție.

În consecință, putem folosi acest spin ca memorie cuantică.

« Instalație laser puternică „PIKO” pentru efectuarea cercetărilor privind interacțiunea radiației laser a intervalului de durată din nanosecunde și picosecundă cu materia. De la stânga la dreapta: Mikhailov Yu.A. Kutsenko A.V. Puteți crea o stare cu o proiecție de zero, cu o proiecție de unu pe această axă sau o suprapunere de „zero plus unu”, în care zero și unu vor fi reprezentați într-o suprapunere cu o anumită pondere. Prin strălucirea centrului NV puteți determina starea acestuia. Dacă este în starea zero, strălucește mai puternic. Dacă este într-o stare de unu, atunci este mai puțin luminos. Avem capacitatea de a determina unde a fost doar prin luminozitatea sa. De parcă ai avea două becuri, zero și unu..

În plus, avem capacitatea de a manipula starea folosind un câmp de frecvență radio. Între două stări zero și unu, prin aplicarea unui impuls, este posibilă organizarea unor stări intermediare, sau o tranziție completă de la o stare la alta. Totul depinde de durata pulsului, de obicei această durată este de ordinul zecilor de nanosecunde. Astfel, putem pregăti stările cuantice foarte rapid, mai rapid decât timpii de relaxare ai centrilor noștri. Adică, putem pregăti oricând starea de care avem nevoie, aprinzând o lumină verde pe ea și apoi aplicând un câmp de frecvență radio.

« Dar nu ar fi la fel de interesant dacă nu am putea folosi spin nuclear. Datorită faptului că centrul de culoare și spinul nuclear de 13 C pot fi situate în apropiere, a interacțiune magnetică, care vă permite să rescrieți informații de la electroni la spin nuclear și înapoi. Deoarece spinul nuclear interacționează mult mai puțin cu lumea exterioară, este o memorie mai izolată, mai pe termen lung. În rotația nucleară, informațiile pot fi stocate mult mai mult timp, în timp ce acest timp este redus la câteva secunde Dacă este în starea zero, strălucește mai puternic. Dacă este într-o stare de unu, atunci este mai puțin luminos. Avem capacitatea de a determina unde a fost doar prin luminozitatea sa. De parcă ai avea două becuri, zero și unu.

"- spune

Capacitatea de a efectua calcule în conformitate cu legile mecanicii cuantice deschide un câmp imens de noi oportunități pentru matematicieni, fizicieni și programatori. Dar noii algoritmi de calcul introduc și noi reguli de joc în viața noastră, de exemplu, algoritmul de criptare RSA, care este puternic din punct de vedere clasic, devine vulnerabil la algoritmul cuantic al lui Shor. Algoritmul lui Shor este capabil să factorizeze un număr prim mult mai rapid decât algoritmii clasici, într-un timp comparabil cu înmulțirea acestor numere prime. Și una dintre cele mai comune și mai sigure metode de criptare RSA se bazează pe utilizarea factorizării prime. Un model de computer cuantic format din mai mulți qubiți pe centre de culoare a diamantelor, creat la FIAN, este destinat să demonstreze posibilitatea ca astfel de algoritmi cuantici să funcționeze., B. Massalimov

ANI "FIAN-inform"

Ei bine, la rândul meu, sper cu adevărat că, datorită acestui articol, cititorii SUN vor ghici ce este un toiag magic, cel pe care îl au Moș Crăciun, monarhul și un vrăjitor obișnuit și cum funcționează.

MICROELECTRONICA, 2012, volumul 41, nr. 2, p. 104-119

INFORMATICA CUANTICA:

CENTRE NV ÎN DIAMANT. PARTEA I. INFORMAȚII GENERALE, TEHNOLOGIA DE PRODUCȚIE, STRUCTURA SPECTRULUI

© 2012 A. V. Tsukanov Institutul de Fizică și Tehnologie al Academiei Ruse de Științe E-mail: Primit de redactor la 31 martie 2011.

Un sistem cuantic este considerat în detaliu, care este unul dintre cele mai populare și promițătoare din știința experimentală a informațiilor cuantice - centrul NV în diamant. Îndreptăm atenția cititorului asupra rezultatelor obținute în ultimii ani și acoperind o gamă largă de probleme legate de fabricarea, controlul, măsurarea centrelor NV și utilizarea acestora ca purtători elementari de informații cuantice. Se discută problema construirii unui computer cuantic la scară largă.

1. INTRODUCERE

Ideea procesării cuantice a informațiilor a apărut la sfârșitul secolului al XX-lea și a devenit acum una dintre cele mai atractive și intrigante pentru mulți cercetători care lucrează în diferite domenii ale științei. Odată cu dezvoltarea bazei experimentale și tehnologice, crearea unui computer cuantic a încetat să mai fie doar o problemă teoretică speculativă, transformându-se într-o problemă practică complexă, dar interesantă.

Ca o celulă elementară a unui computer cuantic - un bit cuantic sau qubit - este ales un sistem cu două niveluri, a cărui stare poate fi controlată eficient. Se presupune că sistemul care reprezintă un qubit are o serie de proprietăți specifice. Acestea includ a) discretitatea ridicată a spectrului de energie, care face posibilă izolarea a două stări logice 10) și 11 qubiți din spațiul de stări Hilbert complet al sistemului, b) existența unor mecanisme fizice care asigură inițializarea, controlul și măsurarea starea qubit și c) timpi lungi de relaxare și defazare a stărilor logice. Construirea unui computer cuantic la scară largă constând din număr mare qubiții care funcționează sincron implică și posibilitatea de a controla interacțiunea dintre doi qubiți arbitrari. Este în general acceptat că creșterea numărului de qubiți la un număr practic util (de ordinul a câteva mii) va fi cel mai probabil implementată în structurile în stare solidă. Există mai multe direcții promițătoare luând în considerare astfel de sisteme cuantice (elemente supraconductoare, puncte cuantice semiconductoare,

atomi de baie) în rol de qubiți. Toate îndeplinesc cerințele de mai sus doar la un nivel foarte scăzut (<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.

Scopul principal al acestei lucrări este de a familiariza cititorul pe scurt, dar cât mai complet posibil, cu centrele Li, structura și proprietățile fizice ale acestora, precum și poziția în care aceștia.

ocupa în fizica experimentală modernă a structurilor cu dimensiuni reduse. Concentrându-ne pe o discuție destul de detaliată a rezultatelor direct legate de calculul cuantic, vom acorda totuși atenție altor domenii conexe legate de manipulările coerente ale stării centrelor UM. În prima parte a revizuirii, vom lua în considerare proprietățile de bază ale centrelor MU, tehnologia lor de fabricație și analiza teoretică a spectrului de grup. A doua parte va fi dedicată problemelor de control atât al stărilor orbitale, cât și ale stărilor de spin ale centrului, operațiunilor cuantice elementare, inițializării, măsurătorilor și suprimării erorilor cuantice. A treia parte va prezenta algoritmi cuantici, sisteme hibride și posibile opțiuni pentru scalarea unui computer cuantic la centrele MU. În plus, vom discuta perspectivele utilizării lor practice ca surse cu un singur foton și magnetometre.

2. MU-CENTRE ÎN DIAMANT: GENERALE

INFORMAȚII ȘI PRINCIPALE PROPRIETĂȚI

Structura centrului MU în diamant este prezentată în Fig. 1a. După cum se poate observa, atomul de azot și locul liber se află pe una dintre diagonalele principale ((111)) ale rețelei de diamante cubice centrate pe fețe, care în acest caz este și axa de simetrie a centrului nostru (axa z). Aceasta înseamnă că există patru orientări posibile ale centrului MU în raport cu rețeaua cristalină a substratului. Când un atom de carbon tetravalent este înlocuit cu un atom de azot pentavalent, un electron suplimentar apare în rețea, iar când se formează un loc vacant învecinat, sunt eliberați încă patru electroni - trei de la atomii de carbon din apropiere aflați la vârfurile unui triunghi echilateral în planul xy, prin centrul căruia trece axa z, și unul din atomul de azot. Cei patru ^-orbitali neperechi corespunzători sunt orientați spre locul vacant format. În plus, experimentele sugerează cu tărie că adesea acești cinci electroni asociați cu centrul sunt uniți de un al șaselea electron, aparent de la un alt atom de azot. Aceasta înseamnă că centrul poate fi fie neutru (MU0, aproximativ 30% din totalul lor), fie încărcat negativ (MU-, aproximativ 70%). Compoziția izotopică a centrului MU depinde de concentrația relativă a diferiților izotopi de azot și carbon dintr-un cristal dat. De obicei, în diamantul natural, predomină izotopul de azot 14M cu spin nuclear I = 1, în timp ce proporția izotopului 15M cu spin nuclear I = 1/2 este de doar 0,37%. Domină și izotopul carbonului 12C fără spin, iar izotopul 13C cu

spin nuclear I = 1/2 apare într-o rețea cristalină cu o probabilitate de 1%.

Proprietățile fizice ale centrului UM sunt determinate de structura sa. Să le enumerăm pe scurt pe cele mai importante dintre ele. După cum rezultă din rezultatele numeroaselor experimente, funcția de undă de spin în starea orbitală a solului este concentrată în regiunea liberă. În acest caz, starea fundamentală paramagnetică a centrului cu polarizare puternică a spinului electronului (^ = 1, w, = 0, +1, -1) este inerentă numai formei MY-. Centrul absoarbe în mod activ lumina verde la lungimea de undă X = 532 nm și prezintă fluorescență stabilă în intervalul de lungime de undă roșie X ~ 630-800 nm cu un vârf de linie de fonon zero la X = 637 nm. Măsurătorile spectroscopice indică timpi lungi de relaxare a spinului (t1 ~ 1 ms) și defazare (t2 ~ 10 μs) la temperatura camerei. O circumstanță foarte importantă este natura dependentă de spin a fluorescenței, care face posibilă măsurarea și inițializarea spinului electronic prin tranziții optice excitante. O explicație teoretică a acestor și altor proprietăți ale centrului UM, care necesită o analiză detaliată a structurii sale, va fi dată mai jos. Să adăugăm că fluorescența din centre unice poate fi observată vizual folosind un microscop optic confocal convențional. Prima astfel de observație datează din 1997 (vezi Fig. 1b).

Datele acumulate până în prezent sugerează că centrele MU îndeplinesc cerințele de mai sus și pot fi considerate qubiți. Astfel, paramagnetismul unui centru încărcat negativ înseamnă divizarea multipletului de spin în absența unui câmp magnetic extern și face posibilă separarea subnivelurilor cu w = 0 și w = -1 (sau +1) într-un subspațiu logic. Valoarea de divizare pentru starea orbitală sol este = 2,87 GHz, ceea ce permite tranziții \m5 = 0 ^ \m5 = -1 (+1)) între stările logice, adică să efectueze operații cuantice cu un singur qubit, influențând centrul MU cu impuls rezonant de microunde. Durata lungă de viață a stării de rotație a centrului la temperatura camerei oferă, de asemenea, un număr mare de astfel de operații cuantice elementare. Toate aceste fapte dau motive pentru a considera centrele MU drept qubiți cu stare solidă foarte promițătoare.

Să prezentăm principalele rezultate experimentale obținute cu ajutorul centrelor MU și care vizează procesarea informațiilor cuantice. În prezent, se desfășoară cercetări intense cu scopul de a crea o matrice ordonată de centre unice ca bază pentru regiunile cuantice la scară completă.

Orez. 1. Un fragment al rețelei cristaline de diamant (a), care conține un centru N^ și structura electronică a învelișurilor de valență de carbon și azot; (b) - prima imagine fotografică a centrelor fluorescente N^ în diamant.

strov. În plus, au fost demonstrate operații coerente cu spini unici (atât electroni, cât și nucleari) la temperatura camerei, precum și operațiuni cu doi și trei qubiți pe un singur centru Li^ care implică spinul electronului și spinurile nucleare ale azotului și carbonului. Dintre cei mai simpli algoritmi cuantici, trebuie menționat algoritmul Deutsch-Jossa recent implementat, precum și schemele de generare a stărilor de spin încurcate. Corectarea erorilor cuantice se realizează prin utilizarea tehnicilor de refocalizare adaptate din spectroscopia EPR și

Tsukanov A.V. - 2015

Oamenii de știință au folosit diamantul pentru a face un computer cuantic. Încercările anterioare de a crea un astfel de dispozitiv de calcul au fost îngreunate de influențele mediului care au distorsionat calculele. Acum, fizicienii din Olanda și SUA au găsit o soluție la această problemă.

Diamantul a început să fie folosit pentru calculul cuantic relativ recent. În acest caz, defectele cristalului de piatră prețioasă au devenit valoarea sa principală. Așa-numitele defecte punctuale sunt site-uri „neregulate” ale rețelei - locuri libere care apar atunci când un atom de carbon este îndepărtat dintr-un site rețelei - și atomii de azot asociați cu acestea. Astfel de defecte se mai numesc și posturi vacante substituite cu azot în centrele de diamante sau NV. Rotirile de electroni ale fiecărui centru pot fi manipulate de câmpuri magnetice, electrice și de microunde, permițând înregistrarea informațiilor cuantice.

Cele mai mici elemente pentru stocarea informațiilor într-un computer cuantic se numesc biți cuantici sau qubiți. Ele sunt spinul nucleului și spinul electronului nepereche al fiecărui centru NV.

Încercările anterioare de a crea un computer cuantic au fost împiedicate de influențele mediului care distorsionează calculele. A dus la decoerență, adică la perturbarea interacțiunii qubitilor și la probleme ulterioare în timpul operației. Oamenii de știință au reușit să realizeze doar izolarea biților cuantici liberi de mediul extern, dar nu au fost capabili să asigure protecția qubiților coordonați.

Un articol publicat în revista Nature vorbește despre modul în care cercetătorii din Țările de Jos și Statele Unite au rezolvat problema. (Articolul poate fi descărcat și de pe site-ul de preprint ArXiv.org.)

„Se știe că interacțiunea dintre un bit cuantic și mediul său duce la pierderea informațiilor transportate. Cu toate acestea, controlul dinamic al qubiților este posibil”, spune cercetătorul principal în fizică David Awschalom, profesor la Universitatea din California, Santa Barbara. „Protejând qubiții de erorile cauzate de mediu, putem asigura execuția unui algoritm de procesare a informațiilor cuantice.”

Fizicienii au descoperit că prin sincronizarea rotației (același spin) a unui electron nepereche și a nucleului unui atom de azot, se poate obține protecția qubitului. Electronul este mult mai mic și mai rapid decât nucleul, dar devine mai ușor o „victimă” a decoerenței. Pentru a sincroniza qubiții, experții au folosit impulsuri de microunde, forțând electronul să-și schimbe constant direcția de rotație. Ca urmare, nu a existat nepotrivire între qubiți și calculele au fost efectuate fără eșecuri.

Oamenii de știință au demonstrat funcționarea noului computer cu diamant „protejat” rezolvând o problemă bazată pe algoritmul lui Grover. Algoritmul a fost creat în 1996, înainte să apară ideea de a crea calculatoare cuantice. Dar tocmai pentru a demonstra „abilitățile” sistemelor de calcul cuantic este cel mai potrivit.

Testul este o sarcină de căutare a informațiilor într-o bază de date nesortată. Pentru a fi mai clar, căutarea poate fi comparată cu o situație obișnuită: computerul, cunoscând numărul de telefon, trebuie să găsească numele abonatului în agenda telefonică.

O persoană (sau un computer obișnuit) în această situație, folosind căutarea obișnuită a numerelor, poate găsi accidental numele dorit pe prima pagină sau, dimpotrivă, chiar pe ultima. Dacă căutați de un număr infinit de ori, în medie numele apelantului va fi găsit în mijlocul agendei telefonice.

În termeni matematici, aceasta înseamnă că alegerea corectă va fi găsită în X/2 încercări, unde X este numărul de încercări de căutare efectuate. Adică, în cazul a 4 încercări, numele va fi găsit în medie după 2 încercări.

Un computer cuantic, folosind principiul suprapunerii, va găsi răspunsul dorit mult mai repede. Matematica din spatele acestui proces este greu de înțeles, dar în practică înseamnă că un dispozitiv de calcul cuantic, atunci când caută într-o bază de date nesortată, va găsi întotdeauna numele potrivit de la prima încercare.

Calculatorul de doi qubiți al fizicienilor din Țările de Jos și SUA a făcut uneori greșeli (a interacționat cu mediul), dar în 95% din cazuri a găsit din prima încercare răspunsul dorit, ceea ce, potrivit dezvoltatorilor, este un rezultat bun. .

Să adăugăm că calculatoarele cuantice nu sunt singurii concurenți ai dispozitivelor de calcul clasice moderne. Recent, un alt grup de specialiști pe un computer ADN.

13:07 17.10.2013

Specialiștii de la Laboratorul de laser cu gaz al Institutului de Fizică Lebedev au reușit să dezvolte două metode de marcare de precizie la microscală a diamantelor. După cum se raportează pe site-ul web al institutului, semnele care sunt invizibile cu ochiul liber sunt create cu ajutorul radiației laser femtosecunde.

Serghei Kudryashov, Leonid Seleznev, Alexey Levchenko și Dmitry Sinitsyn au dezvoltat o metodă pentru crearea „mărcilor de calitate” unice. Diamantul este expus la radiația laser femtosecundă, ceea ce creează o concentrație crescută de locuri libere (defecte în rețeaua diamantului care lipsesc atomi de carbon).

Utilizarea unui laser de femtosecundă în loc de fascicule de electroni sau fascicule de particule de înaltă energie (concentrație uniformă de locuri libere pe întregul volum) face posibilă obținerea unui efect local - de a desena „imaginea” necesară cu grupuri mici de locuri libere.

Apoi, aceste locuri libere pot intra în contact cu atomii de azot de impurități, care, de regulă, sunt prezenți în diamant în concentrații semnificative și formează un centru NV (centrul de azot-vacanță), care este un defect foarte util pentru marcarea diamantelor: atunci când sunt iradiați cu lumină vizibilă. , astfel de NV- centrii încep să fluoresce, iar aplicarea unui câmp extern de microunde poate modifica intensitatea fluorescenței.

Potrivit lui Alexey Levchenko, diamantele pot conține și alte impurități care strălucesc sub influența radiațiilor externe. Prin pornirea câmpului cu microunde, putem vedea schimbarea semnalului nostru pe fundalul acestui zgomot, iar dacă creăm un microcluster invizibil de centre NV, acest lucru ne va permite să citim marcajul diamantului prin fluorescență în câmpul cu microunde.

A doua metodă de marcare a pietrelor prețioase folosește, de asemenea, radiația laser femtosecundă, cu toate acestea, spre deosebire de prima, în loc să creeze locuri libere, aici se formează incluziuni ale unei faze de carbon amorf.

Linii de test de carbon sticlos formate din radiația laser femtosecundă foarte focalizată. (A) pe suprafața unui diamant, lățimea liniei - 3 µm; (B) în volumul său, lățimea liniei subțiri este de aproximativ 1 µm. Fotografie de pe site-ul fian-inform.ru

Sergey Kudryashov observă că radiația laser femtosecundă poate fi focalizată la diferite adâncimi în interiorul materialelor transparente și, prin urmare, această tehnologie permite crearea de marcaje tridimensionale unice. În experimentele efectuate, s-au format cu succes semne volumetrice la microscara pe diamante artificiale și naturale.

În condiții normale, marca nu este vizibilă nici măcar la microscop, nu reduce valoarea pietrei sub influența radiației laser; Semnul este creat în interiorul diamantului și nu poate fi lustruit sau șlefuit. Fotografie de pe site-ul fian-inform.ru