"Дефектні" алмази можуть стати основою квантового Інтернету майбутнього
Сучасне обладнання, на якому тримаються всі Інтернет-канали, засноване на базі напівпровідникових кремнієвих чіпів, але майбутня квантова "версія" Інтернету може бути побудована на алмазних кристалах, в решітці яких штучно зроблені спеціальні дефекти. Використовуючи штучні дефекти кристалічної гратки алмазу, вчені-фізики створили квантові біти, кубіти, і заплутали їх на квантовому рівні. Незважаючи на те, що два кристала алмазу розділяла відстань у три метри, зміна одного квантового стану кубіта негайно відбивалося на квантовому стані другого кубіта, що в майбутньому буде використовуватися для передачі квантової інформації на величезні відстані.
Явище квантової заплутаності, яке Альберт Ейнштейн назвав "примарним взаємодією на відстані", є одним з квантових явищ, природа якого ще досконало не вивчена. Тим не менш, це зовсім не заважає людям використовувати квантова заплутаність в своїх цілях для побудови квантових комп'ютерів та квантового Інтернету. Основою квантового Інтернету коли-небудь стануть заплутані фотони, що передаються по звичайним оптоволоконними лініями, які будуть використовуватися для заплутування квантових бітів, через які вже і буде передаватися власне квантова інформація, окремим випадком якої можуть бути набори інструкцій і даних для квантових комп'ютерів.
Власне квантові біти дуже схожі на біти, що використовуються в звичайних комп'ютерах. Основною відмінністю квантових бітів від звичайних є те, що квантові біти можуть перебувати в стані квантової суперпозиції, тобто мати значення логічних 1 і 0 одночасно. Використання таких унікальних властивостей квантових бітів дозволить реалізувати технології та принципи квантових обчислень, які дозволяють швидко вирішити завдання, розрахунок яких на звичайних комп'ютерах потребує часу, співставного з віком Всесвіту.
У багатьох інших експериментах учені вже створювали заплутані квантові біти на основі атомів і іонів, спійманих в магнітні пастки. Але переваги алмазу полягають в тому, що для створення квантового біта всередині кристала не потрібно ніяких пасток, що значно спрощує будова квантових установок, крім цього, квантові біти в алмазі можуть зберігати квантову інформацію при звичайній кімнатній температурі, що не вимагає охолодження до наднизьких температур. І ці переваги роблять алмазні кристали одним з перших кандидатів на роль основного матеріалу майбутніх квантових пристроїв, комп'ютерів і мереж. "Створення безлічі кубітів в рамках одного алмазного кристала є справою набагато більш простим, ніж розширення систем на основі магнітних пасток" - розповідає Рональд Хенсон (Ronald Hanson), вчений з Технологічного університету Делфта в Нідерландах, який очолював дослідницьку команду.
Кубіти в алмазі формуються з дефектів кристалічної гратки, в більшості випадків таким дефектом є атом азоту, упроваджений в кристалічну решітку замість атома вуглецю. В результаті різниці в кількості електронів верхньої оболонки азоту і вуглецю з'являється електронна вакансія, а власне квантовим бітом є спін електрона, що залишився вільним з-за дефекту. Для того, щоб заплутати кубіти в різних кристалах алмазу, охолоджених до температури на 10 градусів за шкалою Кельвіна, вчені використовували лазери для заплутування фотона з одним з кубітів. Ці фотони були передані по оптоволоконному кабелю у другій кристал алмазу, де вони передали свою заплутаність другого кубиту, заплутавши, таким чином, обидва кубіта в єдину квантову систему. Слід зауважити, що така технологія вже використовувалася у 2007 році для заплутування двох іонів ітербій, а в 2012 році - для заплутування двох нейтральних атомів рубідію.
На жаль, процес дистанційного квантового заплутування ще вкрай неефективний, квантова заплутаність двох кубітів виникає один раз на мільйон спроб, або один раз в 10 хвилин з урахуванням швидкодії наукової дослідної установки. Але й інші експерименти, засновані на атоми та іони, укладених в магнітній пастці, демонстрували схожі або навіть гірші результати.
Слід зауважити, що дані дослідження спрямовані на створення основного вузла майбутнього квантового Інтернету - квантового ретранслятора, тільки завдяки яким зможуть функціонувати квантові комунікації на далеких відстанях. Виявляється, що квантова заплутаність фотонів зникає після того, як фотон проходить по кабелю кілька сотень кілометрів. Це пов'язано з оптичними властивостями скла, яке поглинає і заломлює світло. Просте посилення оптичного сигналу нічого не дає, воно повністю руйнує квантову інформацію, тому буде вимагатися квантові ретранслятори, які забезпечать поетапну передачу фотона, який збереже свою початкову заплутаність і який дозволить заплутати два квантових бітів, які перебувають на величезному видаленні один від одного. "Дефектні" кубіти в кристалі алмазу мають найбільшу перспективу стати цими квантовими ретрансляторами.
В нинішній час, коли від створення перших квантових мереж та квантових процесорів нас відокремлюють ще мінімум десятиліття, ніхто не може з упевненістю сказати, що саме буде основою майбутніх квантових обчислювальних систем, але алмаз однозначно є одним з найбільш ймовірних кандидатів на цю роль.