В основе квантовых вычислений — способность кубитов, строительных блоков квантового компьютера, одновременно находиться более чем в одном физическом состоянии. Это явление называется суперпозицией.

Поддерживать суперпозицию невероятно сложно, но недавно ученые Массачусетского технологического института объявили о разработке нового способа, основанного на применении искусственных алмазов.

Одна из главных трудностей, связанных с квантовыми вычислениями, состоит в поддержании стабильности. Во многих других областях эта задача решается при помощи управления с обратной связью: зная требуемое состояние системы, исследователи измеряют текущее и вносят коррективы, необходимые для выравнивания согласно нужным показателям.

Проблема в том, что в квантовом мире измерение, необходимая часть процесса управления с обратной связью, разрушает суперпозицию. Поэтому в данной области исследователи традиционно вынуждены были обходиться без обратной связи.

Исследователям удалось создать систему управления с обратной связью для поддержания состояния квантовой суперпозиции, не требующую измерений. Взамен в ней используется азотозамещенная вакансия в атомной решетке алмаза.

По словам Паолы Капелларо, вместо классического контроллера, реализующего обратную связь, в МТИ воспользовались квантовым, устранив тем самым необходимость в измерениях

«Вместо классического контроллера, реализующего обратную связь, мы пользуемся квантовым, — поясняет Паола Капелларо, профессор МТИ. — Поскольку контроллер квантовый, измерения для оценки состояния системы уже не требуются».

Чистый алмаз состоит из атомов углерода, выстроенных в регулярную решетчатую структуру. Если ядро атома углерода на своем месте в решетке отсутствует, это называется вакансией. А азотозамещенной вакансией называют структуру, в которой соседнюю с вакансией позицию вместо углерода занимает атом азота.

Под влиянием сильного магнитного поля, в случае данного исследования — постоянного магнита, размещенного над алмазом, вектор спина азотозамещенной вакансии может быть направлен вверх, вниз или находиться в состоянии квантовой суперпозиции двух направлений.

Вначале порция микроволн переводит электронный спин азото-замещенной вакансии в состояние суперпозиции. Затем импульс радиочастотного излучения помещает ядро атома азота в заданное спиновое состояние. Вторая, менее мощная порция микроволн «запутывает» спины ядра атома азота и азотозамещенной вакансии, делая их взаимозависимыми.

Результат — в такой системе квантовый бит на основе азотозамещенной вакансии оставался в состоянии суперпозиции примерно в тысячу раз дольше, чем в других экспериментах с кубитами. А это значит, что до появления работоспособных квантовых компьютеров, скорее всего, пройдет меньше времени, чем считалось.