Камертон звучит, когда по нему ударяют. Его зубцы колеблются, и звук слышен, пока вибрация не затихнет. В квантовом мире тоже есть свои «камертоны» — например, дефект в алмазе, который отзывается на магнитное поле, и углеродная трубка, способная дрожать на частоте в миллиарды раз выше ноты «ля». В новой работе эти два объекта заставили чувствовать друг друга.
Дефект в алмазе — это место, где атом углерода заменён азотом, а соседний узел решётки пуст. Такой азотно-вакансионный центр ведёт себя как крошечный магнит, чуткий к окружению. Рядом с ним подвешивают углеродную нанотрубку — полый цилиндр толщиной в несколько атомов. По трубке пропускают постоянный ток, и вокруг неё возникает магнитное поле. Оно действует на спин дефекта — внутреннее вращение, похожее на стрелку компаса. Когда трубка колеблется, поле меняется, и спин откликается.
Так рождается гибрид: механическое движение переходит в магнитный сигнал и обратно. Это позволяет записывать квантовую информацию в колебания трубки, а считывать — через спин алмаза. Авторы рассчитали, что сила взаимодействия достаточна для создания квантовых вентилей — базовых операций будущих вычислительных машин. Главное преимущество в том, что всё происходит при комнатной температуре, без громоздких охлаждающих установок.
Идея напоминает старую механику, где шестерёнки передают вращение. Только здесь вместо зубьев — магнитные поля, а вместо колёс — одиночные квантовые объекты. Возвращаясь к камертону: теперь два «зубца» колеблются синхронно, хотя их разделяет пустота. Один дрожит от тока, другой — от квантового магнетизма, и вместе они могут хранить и обрабатывать информацию так, как не умеет ни один классический инструмент.
Азотно-вакансионные центры в алмазе настолько стабильны, что их используют как сверхчувствительные термометры, способные уловить изменение температуры в тысячную долю градуса внутри живой клетки.
В романе «Алмазный век» Нила Стивенсона нанотехнологии пронизывают быт, а здесь нанотрубка и дефект в алмазе становятся «атомами» вычислительной машины — шаг к тому самому будущему.