Физик рассказал, как ученые превращают алмазы в квантовые компьютеры. Новости квантовых компьютеров


Физики сделали первый шаг к массовому производству квантовых компьютеров

МОСКВА, 26 мая – РИА Новости. Ученые из MIT и России научились "печатать" одноатомные дефекты внутри алмазов, что открывает дорогу для промышленного производства квантовых компьютеров на базе подобных "бракованных" драгоценных камней, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

"Наша мечта – создать оптическую цепочку, которая бы могла транспортировать фотонные кубиты и позволяла бы нам использовать квантовую память тогда, когда она нам нужна. Мы очень близки к ее реализации – наши дефекты почти совершенны", — рассказывает Дирк Энглунд (Dirk Englund) из Массачусетского технологического института (США).

Квантовое сияние алмазов

Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.

Алмазные кубиты, созданные при участии российских ученыхФизики из России создали "алмазную" сеть из ячеек квантового компьютера

Михаил Лукин из Гарвардского университета, а также ряд физиков из Российского квантового центра, MIT и Гарварда достаточно давно работают над созданием кубитов на базе так называемых "дефектных" алмазов. Интерес к ним обусловлен тем, что кубиты на их основе достаточно легко изготовлять и получать, и они способны работать при комнатной температуре. Кроме того, алмазы можно использовать в качестве хранилища квантовой информации, своеобразной "квантовой памяти".

"Сердцем" вычислительного модуля служит дефект — атом азота или другого элемента, "затесавшийся" в кристаллическую решетку атомов углерода. Ученые научились использовать спин — направление вращения — электронов атома азота и его ядра для обработки данных в кубите и для хранения информации в течение очень долгого времени.

Американские физики разработали масштабируемый квантовый компьютер

За последние годы Лукин и его коллеги научились связывать такие кубиты друг с другом, разработав специальную шину для обмена данными между подобными "дефектами", а также создали множество других ключевых компонентов, критически важных для работы универсальных и  масштабируемых квантовых компьютеров.

Фабрика кубитов

Главной проблемой при создании подобных "алмазных" компьютеров, как рассказывают Лукин и его коллеги, оставалось то, что сегодня подобные дефекты создаются фактически случайным образом. Это делает создание сложных и "массовых" квантовых компьютеров на их основе крайне сложной задачей, так как положение каждого кубита приходится определять вручную. Поэтому ученые достаточно долго пытаются найти способы изготовления подобных дефектов в конкретных точках на поверхности алмаза, где их легко можно было бы найти и "прочитать".

Трехмерные голограммы, записанные учеными внутрь алмазовФизики научились "печатать" трехмерные голограммы внутри алмазов

Российские и американские физики смогли решить эту проблему, используя специальную электронную пушку, способную вырабатывать очень тонкие пучки ионов кремния. Это устройство позволяет "прицельно" стрелять порциями по 20-30 атомов кремния в определенные точки на поверхности алмазной пластины, где должны быть расположены кубиты, и определять, закрепились ли они внутри нее по тому, как меняется напряжение луча пушки.

Простое облучение алмазной пластины этой пушкой, как рассказывают Лукин и его коллеги, не приводит к желаемым результатам – всего 2% "дырок" в структуре алмаза, которые обстреливала электронная пушка, превращаются в дефекты с нужными свойствами.

Ученые смогли повысить их число в 10 раз, дополнительно обстреляв алмазную пластину пучками электронов и нагрев ее до температуры в 1000 градусов после обработки ионами кремния.  Высокие температуры, как объясняют физики, заставляют "дыры " в кристаллической решетке алмазов мигрировать с одного места на другое и соединяться с атомами кремния, "застрявшими" в ней после обстрела ионной пушкой.

Физики за работой, архивное фотоАмериканские физики впервые создали "провода" из синтетических алмазов

Подобный подход, по словам Лукина и его коллег, позволяет создавать десятки тысяч дефектов на поверхности алмаза каждую секунду, размещая их в конкретных точках на поверхности алмаза. Это приближает нас к созданию "промышленных" версий квантовых компьютеров и квантовой памяти на базе подобных дефектных алмазов, способных решать реальные задачи. Как полагают ученые, подобную методику можно использовать для "печати" и других типов дефектов, основой для которых будут служить атомы германия или молекулы сульфида молибдена, обладающие более интересными свойствами.

ria.ru

Физик рассказал, как ученые превращают алмазы в квантовые компьютеры

МОСКВА, 27 мая – РИА Новости. Физик  Денис Сукачев из Российского квантового центра рассказал о том, как российские и американские ученые пытаются превратить алмазы в квантовые компьютеры, и объяснил, почему подобные вычислительные устройства уже являются реальностью, а не просто научной фантастикой.

Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.

Денис Сукачев и многие другие ученые под руководством Михаила Лукина из Гарвардского университета давно работают над созданием кубитов на базе так называемых "дефектных" алмазов. Интерес к ним обусловлен двумя важнейшими плюсами алмазов — кубиты на их основе достаточно легко изготовлять и получать, и они способны работать при комнатной температуре.

Руководитель лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС профессор Алексей Устинов с коллегамиФизик: универсальный квантовый компьютер могут создать через 10 лет

"Сердцем" вычислительного модуля служит дефект — атом азота или другого элемента, "затесавшийся" в толщу атомов углерода. Подобные дефекты ученые называют "вакансиями", или NV-центрами, так как добавление атома азота в алмаз создает в его кристаллической решетке особое пустое место с необычными свойствами. В этой точке атом углерода отсутствует, но при этом она обладает всеми свойствами атома, который бы находился в этой точке в условно "замороженном" состоянии.

Ученые научились использовать спин — направление вращения — электронов атома азота и его ядра для хранения информации внутри этого дефекта и для обработки данных внутри кубита в течение очень продолжительного времени.

Алмазная пластина с дефектами, напечатанными российскими и зарубежными ученымиФизики сделали первый шаг к массовому производству квантовых компьютеров

На этой неделе отечественные и зарубежные физики  рассказали о создании технологии, позволяющей массово изготовлять кубиты – элементарные вычислительные модули и ячейки памяти квантовых компьютеров, "печатая" их внутри алмазов.

— Группа Лукина долгое время работала с азотными вакансиями, а недавно вы перешли на кремний. Связана ли эта замена исключительно с различиями в свойствах атомов или она имеет связь и с технологиями изготовления таких дефектов?

— Технологии внедрения азотных NV-центров и кремниевых SiV-центров по своей сути являются одинаковыми. И те, и другие могут быть образованы как во время роста алмаза, так и с помощью ионной имплантации.

Первый метод позволяет нам получать центры с лучшими спектральными свойствами — они не мерцают, не ионизуются, а их частота излучения стабильна на протяжении нескольких часов. "Имплантированые" центры уступают "естественным" дефектам в качестве, но зато технологии их производства позволяют нам контролировать то, где они будут располагаться. Это очень важно в тех случаях, когда мы хотим заставить их взаимодействовать с фотонами предсказуемым образом и помещаем их для этого в нанорезонаторы.

В свою очередь, мы сделали выбор в пользу кремниевых центров потому, что они сохраняют стабильные спектральные свойства при помещении в такие нанорезонаторы, что не характерно для их азотных "конкурентов".

"Алмазные" кубиты, созданные при участии российских ученых

—  За последние годы профессор Лукин и его коллеги по Гарварду создали шину передачи данных и многие другие конструкции, необходимые для связывания кубитов и работы всего компьютера в целом. Чего еще не хватает для создания полноценных универсальных квантовых компьютеров, или дело только в технологиях и времени?

— Я не вижу фундаментальных препятствий для создания универсальных квантовых компьютеров, а некоторые квантовые вычислительные приборы, оптимизированные под определенный круг задач, уже можно купить сегодня. Примером этого является известный квантовый симулятор D-Wave, создаваемый командой ученых из Google.

Если говорить про "алмазные кубиты", то до недавнего времени все попытки создания кубиты на их базе были основаны на использовании NV-центров. Причиной этого было то, что подобные вакансии способны поддерживать работу квантовой памяти на протяжении нескольких миллисекунд, что является очень длительным временем для квантовых систем.

Основным недостатком этих центров является то, что они вырабатывают малое число фотонов. Это мешает получению перепутанного состояния — одного из основных ресурсов для квантовых вычисления и квантовой передачи данных.

Ученые держат в руках первые плитки кубитов на базе ионовФизики создадут квантовый компьютер размером с футбольное поле

Если же взять кремниевый центр и поместить его в фотонный резонатор внутри алмаза, что число фотонов многократно увеличится, что должно привести к повышению частоты генерации перепутанного состояния.

Сейчас мы работаем над созданием долговременной квантовой памяти на базе кремниевых центров. Для этого мы охлаждаем их до температуры порядка 20 милликельвинов, что в 200 раз меньше температуры кипения жидкого гелия. При таких температурах атомы углерода полностью "замораживаются", благодаря чему коллективные колебания атомов в кристаллической решетке алмаза, мешающие работе квантовой памяти, так называемые фононы, полностью исчезают.

— Составят ли алмазные кубиты конкуренцию их сверхпроводящим аналогам, и что послужит основой первых "промышленных" квантовых компьютеров?

— Основным преимуществом "алмазных кубитов" над их сверхпроводящими аналогами, на мой взгляд, является то, что их можно использовать для создания "долгой" квантовой памяти благодаря возможности перенесения кубита на ядерный спин.

Канадо-украинский физик Александр ЗагоскинКвантовые покемоны: физик Александр Загоскин о квантовых компьютерах

Кроме того, сами  дефекты  способны светиться в оптическом диапазоне, что сильно упрощает процесс передачи данных на большие расстояния благодаря тому, что мы можем использовать для этих целей высококачественное оптоволокно.

ria.ru

Физики создадут квантовый компьютер размером с футбольное поле

МОСКВА, 2 фев – РИА Новости. Ученые из Великобритании представили первые, как они выражаются, "реалистичные" планы  по постройке полноценного квантового компьютера, размеры которого будут сопоставимы с футбольным полем, а цена будет составлять как минимум 125 миллионов долларов, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

"Да, он будет очень большим, да, он будет очень дорогим – но мы можем построить такое устройство прямо сегодня. Постройка универсального квантового компьютера фундаментальным образом трансформирует облик всего общества Земли. Конечно, трудности есть, но сейчас наступает время для того, чтобы перенести успехи из лабораторий в реальный мир. Постройка такого компьютера сделает Британию лидером в этой области, и я рад, что правительство и промышленность работают сейчас со мной для реализации этой задачи", — заявил Уинфрид Хенсингер (Winfried Hensinger) из университета Сассекса (Великобритания).

Квантовая неопределенность

Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.

Чип процессора 128-кубитного квантового компьютера, произведенный компанией D-Wave Systems Inc.Google приблизился к созданию универсального квантового компьютера

Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств – классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами.

В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считается команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.

Хенсингер и его коллеги заявляют, что у них есть шансы опередить группу Мартиниса,  и в доказательство этого они представили схемы полноценного квантового вычислительного устройства, работающего по другому принципу, нежели компьютер Google. В нем, как рассказывают ученые, роль кубитов – элементарных ячеек памяти и вычислительны модулей – будут играть не кусочки сверхпроводиков и токи в них, а ионы, заключенные в магнитные ловушки, поведением которых ученые манипулируют при помощи микроволновых излучателей и магнитного поля.

Назад в будущее

По словам Хенсингера, такими кубитами гораздо проще управлять, чем сверхпроводниками, и объединение большого количества кубитов и добавление новых вычислительных элементов не вызывает так много проблем, как у других подходов, вроде полупроводниковых кубитов или их сверхпроводниковых аналогов.

Алексей УстиновФизик: Google близка к созданию квантового симулятора, а не компьютера

Этот подход известен ученым давно, однако у него есть несколько проблем, которые делали его сравнительно малопопулярным для создания полноценных квантовых вычислителей. Две главных проблемы – необходимость охлаждения таких кубитов до сверхнизких температур и фактическая невозможность их миниатюризации для использования внутри компактных микрочипов.

И тот и другой фактор, как считает Хенсингер и его единомышленники, не являются проблемами, если есть политическая воля и средства для их преодоления. По его мнению, квантовая компьютерная индустрия может пойти по стопам разработчиков "классических" компьютеров. Изначально, напоминает всем ученый, они обладали скромной мощностью и гигантскими размерами – первый компьютер мира, американский ENIAC, занимал целое здание, потреблял 150 киловатт электричества и стоил около семи миллионов долларов, при этом исполняя всего 5 тысяч операций в секунду.

Таким же образом, используя примитивно устроенные компоненты – кубиты, похожие на плитки размером в 10 на 10 сантиметров, можно объединить в гигантское вычислительное устройство, содержащее  в себе миллионы вычислительных модулей. Обмен информацией между ними будет проходить благодаря тому, что ионы в каждом из кубитов, в зависимости от конфигурации их магнитной ловушки, будут способны "гулять" между соседними плитками или удерживаться на месте. Для упрощения работы всей этой системы микромагниты и микроволновые излучатели, которые обычно встраиваются в каждый кубит,  можно заменить на один сверхмощный магнит и генератор микроволн.

Первый репрограммируемый квантовый компьютерФизики создали первый программируемый квантовый компьютер

По словам исследователей, это кубитное "поле", если оно будет создано, сможет взламывать самые стойкие шифры и пароли за всего 110 дней, и решать многие другие задачи с астрономически высокой сложностью вычислений.  Как отмечает Хенсингер, власти Британии уже заинтересовались разработкой и сейчас физики создают прототип компьютера для демонстрации возможности его постройки.

ria.ru

Квантовые компьютеры – уже реальность — Мир новостей

Мир стоит перед очередным технологическим прорывом, который называют второй квантовой революцией. Что это такое и к чему ведет, разбирался «Мир Новостей».

О какой второй квантовой революции речь, если и про первую-то ничего не понятно? Между тем технологиям, основанным на квантовой физике, более полувека.

- Транзисторы, например, были изобретены в 1947 году, - рассказывает научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров. - Это изобретение выросло из знаний квантовой физики твердого тела.

В 60-х годах был разработан лазер - в его основе лежали познания в области квантовой оптики. Только эти два изобретения привели к возникновению телевидения, компьютерам, интернету, оптоволоконным коммуникациям, прорыву по всем фронтам науки и техники. Они сильно повлияли на нашу повседневную жизнь и фактически трансформировали наш мир, сначала превратив его из индустриального в постиндустриальный, а затем в полноценное информационное общество.

Технологический рывок последние десятилетия шел от развития элементной базы: уменьшались транзисторы, увеличивалась мощность компьютеров... Но всему есть предел.

- Последние годы об удвоении производительности процессоров каждые два года, как это было в начале XXI века, уже не говорят, - отмечает собеседник. - Чтобы поддерживать этот темп, к 2020 году транзистор должен уменьшиться до одного атома, что крайне затруднительно.

Где же выход? Сейчас существует несколько направлений квантовых технологий, которые бурно развиваются во всем мире. Уже понятно, что квантовая криптография сделает невозможным кражу информации, а квантовые датчики выведут на новый уровень точность измерений. Квантовый симулятор - это следующая технология, которая предназначается для создания новых материалов, лекарств и прочего. По мнению нашего эксперта, медицина сенсорно-магнитного поля неизбежно придет на смену еще совсем недавно венцу современных технологий МРТ.

Да зачем далеко ходить - прошлый год принес настоящий прорыв в масштабировании квантовых технологий. Международная группа под руководством профессора Михаила Лукина создала квантовый компьютер. Затем в Университете Мэриленда появился свой экземпляр, за ним - в корпорации IBM. В этом году компания Intel сообщила о квантовом чипе. А на днях Google презентовал квантовый процессор. По прогнозам экспертов, в ближайшие годы рынок квантовых вычислений достигнет 26 млрд долларов.

Если возможности полупроводниковой электроники исчерпаны, то нужна новая элементная база.

- Кстати, не обязательно квантовая, - говорит Алексей Федоров. - Есть идея фотоники (на основе фотонов) или спинтроники (переход от электронных зарядов к спину). Но на данный момент, квантовые компьютеры - это, наверное, единственный реальный способ увеличить производительность вычислений.

Что нас ждет? Если в последние годы развивались машинное обучение, искусственный интеллект, то с появлением квантовых компьютеров на новый уровень выйдут биотехнологии. Вместе с тем серьезно продвинутся науки и знания о мозге человека, его физиологии.

- Однако говорить о том, что квантовые смартфоны или компьютеры убьют обычные, преждевременно, - считает Федоров. - Они придадут новые свойства продуктам, расширят их возможности. Квантовые технологии потенциально намного мощнее классических, но и намного капризнее, сложнее, дороже.

Есть ли шансы у России занять достойное место в квантовой технологической гонке?

- Потенциал у нашей страны хороший, - уверен Алексей Федоров. - В коммуникации наши достижения вполне сравнимы с мировыми, и даже лучше. Например, алгоритмическая часть превосходит современные иностранные аналоги. Многие эксперименты мы сделали первыми. И это несмотря на то, что инвестиции в эту сферу намного отстают от финансовых возможностей Китая, США, ЕС.

У России одна классическая для нашей страны проблема - придумать можем, а вот продать и заработать на этом... Здесь пока большие сложности.

Вячеслав Степовой.

FOTOLIA

Оставайтесь с нами. Подпишитесь на канал в Яндекс.Новости и получайте актуальные и проверенные новости.

mirnov.ru

Учёные из России и Канады нашли способ упростить архитектуру квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры способны производить очень сложные вычисления благодаря уникальной архитектуре, но, несмотря на то что за ними будущее, крайне непростое устройство квантовых компьютеров не позволяет создать достаточно мощную систему. Но согласно статье, недавно опубликованной в журнале Nature, группе физиков из России и Канады удалось создать первый кремниевый чип, способный и хранить многомерные кубиты, и манипулировать ими. Новый подход позволит упростить архитектуру квантовых компьютеров и ускорить их создание.

Напомним, что кубиты в квантовых компьютерах выполняют одновременно и функцию ячейки памяти, и функцию вычислительного модуля. Они могут хранить одновременно и ноль, и единицу, благодаря законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов позволяет быстро решать сложные и крайне ресурсозатратные задачи. Как рассказал в интервью РИА «Новости» один из ведущих ученых Российского квантового центра Алексей Устинов,

«Физики довольно быстро научились изготавливать одиночные кубиты, способные жить достаточно долго для ведения вычислений. Однако попытки объединить несколько кубитов сталкиваются с большими трудностями из-за того, что записать и считать данные из них не так просто, как изначально казалось».

Поэтому многие ученые пытаются не объединить кубиты в единую сеть, а стараются вместить как можно большее количество ячеек квантовой информации внутрь одного кубита. Группе ученых из Российской федерации и Канады во главе с профессором Университета ИТМО Роберто Морандотти удалось создать чип, позволяющий «утрамбовать» практически неограниченное количество квантовых данных в пары запутанных фотонов.

Новая разработка представляет собой микрорезонатор — полое кремниевое кольцо, внутри которого свет будет двигаться по кругу, отражаясь от стенок. Чип можно построить таким образом, что определенные импульсы будут усиливаться, а другие — гаситься, что и позволяет получать лазерные импульсы с «гребенчатым» спектром, который удобно использовать для кодирования отдельных ячеек памяти. Благодаря такому подходу, количество значений, кодируемых в подобном световом кубите, будет зависеть только от того, насколько точно приборы смогут улавливать эти изменения света.

«Объединив на одном чипе генерацию многомерных запутанных фотонов с их сверхбыстрой обработкой, мы показали, что квантовыми системами можно управлять посредством стандартных телекоммуникационных элементов, таких как модуляторы и частотные фильтры. Это упростит развитие и распространение технологии».

Основано на материалах РИА «Новости»

hi-news.ru


Читайте также
  • Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
    Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
  • Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
    Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
  • Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
    Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
  • Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
    Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
  • Найден источник водородных газов для нашей Галактики
    Найден источник водородных газов для нашей Галактики