Квантовый мост из алмаза и света экспресс
Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант-кубит должен играть в идеальной тишине. Но когда таких оркестров много и они хотят выступать вместе, им нужен надёжный дирижёр-связист. Проблема в том, что сверхпроводящие кубиты общаются на языке микроволн — как если бы скрипачи пытались докричаться до соседнего зала через бетонную стену. Микроволны быстро затухают в обычных проводах и не могут лететь по оптоволокну.
Решение — перевести микроволновый «шёпот» на язык света. Для этого нужен преобразователь — устройство, которое ловит микроволновый сигнал и переизлучает его оптическим фотоном. Обычные преобразователи работают как мощный прожектор: они закачивают в систему много света, чтобы усилить слабый сигнал. Но прожектор греет сцену — лишнее тепло разрушает хрупкую квантовую когерентность (согласованность состояний), и оркестр сбивается.
Авторы новой работы предлагают иной путь. Они берут крошечный дефект в алмазе — одиночный центр окраски (атомную ловушку для электронов, которая светится при облучении). Этот дефект помещают в оптический резонатор — две зеркальные стенки, между которыми мечется свет. Микроволна слегка покачивает электрон в дефекте, а тот, резонируя с оптической полостью, испускает фотон. Вся конструкция напоминает камертон: дуновения микроволн заставляют его звучать, и этот звук подхватывает свет.
Ключевая хитрость — двойной резонанс. Центр окраски одновременно сильно связан и с микроволновым полем, и с оптической полостью. Благодаря этому даже сверхслабая микроволна эффективно превращается в свет. Расчёты показывают: такое устройство сможет создавать запутанность между удалёнными кубитами с частотой около тысячи раз в секунду и точностью выше 0,9. Это как если бы два музыканта на разных континентах играли синхронно, слыша друг друга через идеальный переводчик.
Так одиночный атомный дефект становится мостом между мирами: холодным микроволновым и быстрым оптическим. А весь оркестр квантовых компьютеров наконец-то сможет играть в унисон, не перегревая сцену.
Центры окраски в алмазе — те самые дефекты, которые придают драгоценным камням фантазийные цвета. В жёлтых алмазах виноват азот, в голубых — бор, а в розовых — пластическая деформация решётки.