алмазная квантовая память

Представьте карусель, на которой сидят не дети, а крошечные магнитные стрелки внутри алмазной пыли. Обычно эти стрелки направлены хаотично, и их сигнал теряется в шуме. Но если карусель наклонить под особым углом и одновременно осветить её зелёным лазером, стрелки начинают выстраиваться в одном направлении. Именно это сделали физики с алмазными частицами, вращая их под углом 54,74° к магнитному полю.

Рентгеновская вспышка проносится сквозь вещество за миллиардные доли секунды. Чтобы её запомнить, физики заставляют атомы на короткое время впитать этот свет, а потом выпустить обратно. Но достать фотон по команде — всё равно что вытащить из шкафа нужную книгу, когда полки двигаются сами по себе.

Лишний электрон в молекуле похож на пассажира, который едва держится на подножке уходящего поезда. Такой «пассажир» превращает частицу в анион — отрицательно заряженный ион. Изучать его трудно: связь слабая, электронное облако размыто, и любой толчок может сорвать электрон прочь.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

Алмаз — символ совершенства, но его истинная магия раскрывается через изъяны. Идеальная чистота решётки дарит прозрачность и твердость, тогда как дефекты — например, центры окраски — открывают портал в квантовый мир, становясь основой квантовых компьютеров и квантовых сенсоров.

В алмазе, как и в любом кристалле, неизбежно возникают дефекты кристаллической решётки: вакансии (пустые узелки, где отсутствует атом) или примесные атомы, занявшие чужое место.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Крошечный алмаз с дефектом — атом азота рядом с пустотой в кристалле. Этот дефект, NV-центр, работает как магнитная стрелка: под зелёным светом он светится красным, а яркость свечения зависит от того, куда направлено его магнитное поле. Так измеряют магнитные поля с большой точностью — например, следят за работой одного нейрона или ищут скрытые трещины в материалах.

Волчок, раскрученный на идеальной поверхности, падает от малейшей дрожи. Так и квантовый бит, созданный на дефекте в алмазе, теряет своё состояние из-за магнитного беспорядка, вносимого примесями и внешними помехами.

Лазер обычно греет. Но в некоторых кристаллах свет может уносить тепло — как если бы чайник остывал от яркой лампы. В алмазе такую работу выполняют дефекты: места, где вместо углерода стоит атом азота, а рядом пустота. Спектроскопия показала, что при подсветке лазером с длиной волны чуть ниже резонансной дефект испускает свет с большей энергией, чем поглотил.

В упорядоченной кристаллической решётке алмаза иногда встречаются структурные дефекты: атом азота замещает углерод в узле, а соседний узел остаётся пустым — вакантным. Такой дефект, называемый азотно-вакансионным центром, превращается в сверхчувствительный алмазный компас — его магнитный момент, подобно стрелке, реагирует на ничтожные изменения внешнего магнитного поля.

Кристалл, который внутри напоминает губку с лабиринтом пор, оказался способен выполнять вычисления. Материал с названием DUT-8 состоит из металлических узлов и органических перемычек, образующих ажурную решётку. Под воздействием разных газов эта решётка слегка меняет форму — как карточный домик, который перестраивается от лёгкого дуновения.

Три заряженных атома иттербия выстроены в треугольник внутри электромагнитной ловушки. Обычно они все общаются друг с другом, как три человека за одним столом, которые постоянно обмениваются репликами. Но если один из них выйдет в соседнюю комнату, беседа продолжится уже между оставшимися двумя.

Кольцо размером с обеденную тарелку заставило пучок электронов бегать по кругу. Диаметр — 22 сантиметра, а полный оборот занимает всего 4,7 наносекунды. Для сравнения: за одну секунду такой электрон успел бы обернуться больше двухсот миллионов раз.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться» с помощью крошечных дефектов в алмазе — азотно-вакансионных центров. Каждый такой дефект работает как миниатюрный компас, который сообщает, куда повёрнуто поле. Проблема в том, что этих компасов много, а считывать их все подряд — всё равно что переписывать вручную каждую букву в толстой книге.

Алмазная пылинка размером меньше сотой доли миллиметра светится красным. Внутри неё — дефект кристалла: два соседних атома углерода, где одного не хватает, а рядом сидит атом азота. Такая пара ловит свет и отдаёт его обратно, как крошечный маячок, который не гаснет при комнатной температуре. Эту пылинку поднесли к дорожке на поверхности чипа.

В камере с алмазными наковальнями давление сжимает вещество так, будто его закопали на сотни километров вглубь Земли. Внутри этой камеры работают крошечные датчики из алмаза — центры окраски, которые отзываются на микроволны и рассказывают о магнитных полях и температуре вокруг.

Крохотный алмаз, уступающий размерами пылинке, удерживается в магнитной ловушке, созданной из микрочипов. Внутри его кристаллической решётки — одиночный дефект, действующий как квантовый маячок: он позволяет отслеживать состояние всей системы.

Нагрейте обычные кварцевые часы на десять градусов — и они начнут убегать на секунды в сутки. Атомные часы точнее, но занимают целый шкаф. Алмаз с крошечным дефектом — азотной вакансией — обещает точность атомных часов в объёме песчинки. Одна беда: этот дефект очень чувствителен к теплу, как камертон, который меняет тон от температуры воздуха. В новой работе дефект заставили петь на два голоса сразу.

Каждая клетка — миниатюрный камертон. Резкий магнитный импульс заставляет её «звучать»: ядра водорода, входящие в состав клеточной воды, возбуждаются и, возвращаясь в равновесие, порождают слабый магнитный сигнал. Затухание этого «звука» зависит от свойств внутриклеточной среды — вязкости, плотности, молекулярного состава.

В кристаллическую решётку алмаза можно внедрить миниатюрный сенсор. Если заменить один атом углерода на атом азота, а соседний узел решётки оставить пустым, образуется азотно-вакансионный центр — дефект, который обладает спиновыми состояниями, чувствительными к внешнему магнитному полю, и способен излучать свет в ответ на его изменения.

Квантовые вычисления предъявляют жёсткие требования к носителям информации. В кристаллической решётке алмаза — а точнее, в углероде с искусственно созданными дефектами — биты кодируются ориентацией микроскопических магнитных моментов, или спинов, локализованных на этих дефектах.

Толпа из тридцати одного квантового датчика шепчет в алмазной пластине. Раньше этот шёпот тонул в гуле прожекторов: случайные всплески фотонов, которыми считывали состояние спинов, заглушали собственный квантовый шум ансамбля. Теперь физики научились выключать прожекторы и слушать саму толпу.

На алмазной пластине размером два на два миллиметра уместился целый оркестр из сорока девяти скрипок. Каждая струна настроена на свою ноту — свой фрагмент ДНК. Когда в зал входит нужная мелодия, струна отзывается, и дирижёр слышит чистый звук. Этот дирижёр — квантовый сенсор, спрятанный в самом алмазе.

Внутри алмазной наковальни — устройства, где два алмаза сжимают образец до сотен гигапаскалей — давление распределено неравномерно. Одни участки сжаты сильнее, другие слабее. Это влияет на результаты экспериментов: вещество может повести себя иначе, чем при идеально равномерном сжатии.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где струнные и духовые играют на разных языках. Сверхпроводящие процессоры оперируют микроволновыми фотонами в сантиметровых контурах, а спиновые кубиты — например, азотно-вакансионные центры — хранят информацию в масштабах отдельных атомов.

Внутри алмаза иногда встречаются крошечные изъяны — место, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Физики называют это NV-центром (дефект из азота и вакансии). Такой дефект ведёт себя как магнитная стрелка, которая может хранить информацию в своём вращении.

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.

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.

В толще алмаза спрятаны крошечные изъяны — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Эти дефекты, словно маяки, могут хранить и передавать квантовую информацию. Но вокруг бушует магнитная буря: ядра атомов в кристалле колеблются, создавая помехи. Сигнал тонет в шуме. Авторы работы нашли способ пробиться сквозь этот хаос.

Сверхпроводящий кубит — крошечное колечко без сопротивления — щёлкает задачами быстрее, чем вы моргаете. Но стоит отключить питание, и всё, что он насчитал, исчезает. Как повар, который готовит без записи рецепта: пока стоит у плиты, помнит каждый шаг, а через час — пусто. Авторы работы предлагают записывать результат в алмаз.