Алмазы с дефектами — идеальный интерфейс для квантовых компьютеров

В некоторых алмазах встречаются так называемые NV-центры (nitrogen-vacancy center) или азото-замещенные вакансии. Эти дефекты возникают на уровне кристаллической решетки, когда из ее узла удаляется атом углерода, а образовавшаяся вакансия связывается с атомом азота.

Свойства NV-центров мало отличаются от свойств атома: их спинами можно управлять с помощью света, магнитного, электрического и микроволнового поля. Особенно важно, что манипулировать азото-замещенными вакансиями можно при комнатной температуре, не охлаждая систему почти до абсолютного нуля. При этом заданная спиновая поляризация сохраняется продолжительное время – до нескольких миллисекунд. 

Эти свойства позволяют рассматривать NV-центры в алмазах как базовые элементы для создания квантовых систем.

В новом исследовании ученые из Йокогамского государственного университета использовали микроволновые и поляризованные световые волны для запутывания излучающего фотона и кубитов с левым спином. Такой интерфейсный подход обеспечивает прямую трансляцию информации в квантовые устройства.

Для создания нужного эффекта использовалась особенность поляризованных волн. Дело в том, что они движутся перпендикулярно направлению их источника, как, например, сейсмические волны, которые начинаются из вертикального сдвига или разлома, но распространяются горизонтально. При этом на направление движения поляризации влияет спиновое состояние фотона (левое или правое). Следовательно, движение становится предсказуемым и между фотонами формируется устойчивая запутанность.

В статье, опубликованной в журнале Communications Physics, исследователи отмечают, что верность состояния запутанности достигает 86,8%. Причем запутанное излучение в сочетании с запутанным поглощением порождает геометрическую запутанность между удаленными объектами, которая нечувствительна к внешним помехам.

В дальнейшем ученые планируют  объединить это открытие с продемонстрированной ранее передачей квантовой информации путем телепортации. Конечной целью исследования является упрощение общей сети квантовых компьютеров и появление устойчивого квантового интернета. Например, алмазы могут быть использованы при создании сети квантовых повторителей.

Также в перспективе алмазы с NV-центрами будут применяться в квантовой криптографии, распределенных квантовых вычислениях и квантовом зондировании на дальние расстояния – более 1000 км.