Квантовая память в алмазе ✎ экспресс

Оригинал: "Hybrid quantum circuit with a superconducting qubit coupled to a spin ensemble"
arXiv:1110.2978 · 2011-10-13 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Сверхпроводящий кубит передал информацию спиновому ансамблю в алмазе и прочитал её обратно.

📄 Показана версия «Просто» — «Подробно» пока не готова. Добавьте ★ в избранное, если хотите её ускорить.

Крошечный алмаз с дефектами — атомами азота, занявшими место углерода, — таит в себе необычную особенность. Вокруг каждого дефекта крутится лишний электрон, как волчок, который можно наклонять радиоимпульсами. Сам по себе этот волчок слишком тихий, чтобы докричаться до сверхпроводящего кубита — искусственного атома, работающего при температурах ниже, чем в открытом космосе. Но если поставить между ними посредника — настраиваемый резонатор, похожий на камертон с регулируемой нотой, — они начинают петь в унисон.

Кубит — это квантовый аналог бита: он может быть и нулём, и единицей одновременно, пока его не измерили. Сверхпроводящий кубит делают из алюминиевой плёнки на кремнии, и он живёт при температуре жидкого гелия.

В эксперименте кубит сначала готовили в нужном состоянии — как дирижёр, задающий тон перед концертом. Затем это состояние через резонатор перекачивали в коллективное возбуждение миллионов спиновых волчков в алмазе. Спины запоминали рисунок колебаний и держали его достаточно долго, чтобы позже передать обратно кубиту. Когда кубит считывали, он воспроизводил исходное состояние — словно нота, спетая хором по памяти после паузы.

Алмазная пластинка размером с рисовое зерно содержала около миллиарда NV-центров. Все вместе они создавали сигнал, который кубит мог услышать без усилителя.

Так облако спинов в кристалле впервые сработало как настоящая квантовая память для сверхпроводящего кубита. Такая память нужна, чтобы объединять много кубитов в сеть: пока один ждёт ответа от другого, информация не теряется, а хранится в долгоживущем спиновом облаке. В будущем это поможет строить квантовые процессоры, где вычисления и память разделены, как в обычном компьютере. И тогда крошечный алмаз с дефектами перестанет быть просто кристаллом — он станет надёжным хранилищем для квантовых состояний.

NV-центр в алмазе светится красным, если посветить на него зелёным лазером — так его и находят под микроскопом.

В романе «Алмазный век» Нила Стивенсона алмазы становятся основой вычислительной техники будущего.

Учёные
Enrico FermiPaul DiracSatyendra Nath BoseAlbert EinsteinDavid DeutschErwin Schrödinger
Понятия
гибридная система твердотельный кубит алмазная квантовая память сверхпроводящий кубит ансамбль полупроводниковые кубиты сверхпроводящий резонатор квантовый кристалл памяти гибридный подход трансмон триплетная сверхпроводимость спин-орбитальная связь сверхпроводимость азотно-вакансионный центр в алмазе манипуляция одиночным спином центр обработки данных электронные пары полуклассический триплетное состояние кремниевый чип