Квантовые вычисления, привлекающие внимание ученых во многих странах мира, должны использовать свойства вещества в масштабе миллиардных долей метра.

Впервые о возможности использования ядерных спинов в квантовых компьютерах сообщила группа немецких ученых.

Кристоф Беме (Christoph Boehme) из университета штата Юта (США) совместно со своими бывшими коллегами из Германии разработал прототип сверхбыстрого компьютера, который способен считывать информацию, сохраняемую в виде магнитных моментов ядер фосфора, сообщает PhysOrg. Эта работа - один из самых значительных прорывов в развитии способов обработки квантовой информации.

В современных компьютерах бит информации хранится в виде нулей и единиц в транзисторах на поверхности кристалла кремния. Квантовый компьютер, который пока еще только создается усилиями многих исследователей, будет способен хранить информацию в виде т.н. кубитов (qubit), при этом и сами носители информации несравненно меньше нынешних транзисторов, и скорость обработки данных в них будет значительно выше.

Трем битам информации в обычных компьютерах соответствует восемь различных сочетаний нулей и единиц, но в элементарной ячейке хранится только одно сочетание. В нынешних ПК одновременно идет обработка 64 битов. В квантовых же компьютерах кубит может быть равен 0 и 1 одновременно. Все три кубита можно вычислять одновременно. Это значит, что трехбитный квантовый компьютер может работать в восемь раз быстрее полупроводникового. А квантовый компьютер с 64 кубитами будет работать в 2 в 64 степени раз быстрее.

Исследователи пытались найти разные варианты хранения и обработки информации в наномасштабах. Среди таких попыток - оптические компьютеры, ионы, квантовые точки и спиновые состояния, соответствующие магнитной ориентации электронов или атомных ядер. Д-р Беме и его коллеги использовали идею австралийского физика Брюса Кейна (Bruce Kane), опубликованную в журнале Nature в 1998 году. Кейн, видимо, впервые сформулировал идею о возможности использования ядерных спинов для хранения информации в компьютерах.

В экспериментах К.Беме в монокристалл кремния толщиной около 300 мкм добавляли небольшое количество атомов фосфора, при этом атомы фосфора находились на небольшом расстоянии от поверхности (около 50 атомных диаметров) и были расположены на заметном расстоянии друг от друга, а не группами.

Исследователи научились изменять и определять спиновые состояния атомов (а тем самым и создавать информацию в виде 0 или 1) с помощью слабых электрических полей. Для этого с помощью литографии присоединили два золотых электрода к кремниевой пластине, которые затем покрыли очень тонким (около 2 ангстрем) слоем диоксида кремния.

При подаче напряжения на электроды протекал ток, составляющий единицы или десятки наноампер. После охлаждения кристалла до температуры жидкого гелия на него воздействовали магнитным полем или микроволновым излучением в течение нескольких наносекунд, в результате чего спины ядер меняли свое направление. Эти изменения отражались в измеряемом токе, который увеличивался или уменьшался в зависимости от суммарного магнитного момента кристалла.

В опытах Беме удалось изменить спиновое состояние одновременно у 10 тыс. атомов фосфора. В реальных квантовых компьютерах необходимо считывать спиновое состояние одного атома, а не их группы. Ранее делались попытки изменить спиновое состояние с помощью метода магнитного резонанса, но для этого нужно было иметь не менее 10 млрд. атомов фосфора, так что нынешний успех группы Беме - действительно огромный скачок по сравнению с предыдущими экспериментами. Беме уверен, что дальнейшее улучшение конструкции приборов позволит определять и изменять спиновое состояние отдельных атомов.

Ученые считают свой опыт красивой демонстрацией возможностей нового способа квантовых вычислений - до создания действующей модели квантового компьютера еще предстоит пройти очень долгий путь.