Российские физики создали модель квантового компьютера

Ученые предлагают сделать вычислительную машину на основе алмаза

Модель квантового компьютера на алмазе разработали совместно ученые ФИАН и Российского квантового центра (RQC.). По утверждению авторов, использование законов квантовой информатики может изменить подходы к современному программированию. В частности, многие современные методы шифрования становятся уязвимыми перед новыми возможностями, которые открывает их изобретение.

Традиционной, привычной всем единицей информации является бит, который представлен в виде 0 или 1. В квантовой теории информации ячейкой памяти является кубит, который способен хранить суперпозицию состояний 0 и 1. В качестве кубита выступает спин (собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого) электрона.

Для того, чтобы менять состояние спина, то есть записывать информацию, и считывать его, физики предлагают использовать кристаллы алмаза. В них, при помощи дополнительного атома азота и отсутствующего атома создается так называемый центр окраски (NV-центр). Спин используется в качестве квантовой памяти. При этом, помимо позиций «ноль» и «единица», он имеет суперпозиции.

«Вы можете создавать состояние с проекцией ноль, с проекцией единичка на эту ось или суперпозицией «ноль плюс единичка», при этом ноль и единица будут представлены в суперпозиции с каким-то весом. По свечению NV центра вы можете определять его состояние. Если он в состоянии ноль, то светится более ярко. Если он в состоянии единичка, то — менее ярко. У нас есть возможность определить, где он был, просто по яркости. Как если бы у вас были две лампочки ноль и единичка», — цитирует старшего научного сотрудника ФИАН, руководителя группы Квантовых симуляторов и интегрированной фотоники RQC Алексея Акимова сайт «ФИАН-Информ».

Преимущество такой технологии в том, что хранящаяся в алмазных кубитах информация изолирована от внешних воздействий, а для ее хранения не требуется охлаждение. Изменять состояние кубита при этом можно с помощью радиочастотного поля.

«Но это было бы не так интересно, если бы мы не могли использовать ядерный спин. Благодаря тому, что центр окраски и ядерный спин 13С могут находиться рядом, между ними возникает магнитное взаимодействие, которое позволяет переписывать информацию с электронного на ядерный спин и обратно. Так как ядерный спин намного меньше взаимодействует с внешним миром, то он является более изолированной, более долговременной, памятью. В ядерном спине информация может храниться намного дольше, пока это время доведено до нескольких секунд», — рассказывает Алексей Акимов.

Новая модель компьютера открывает огромное поле новых возможностей для математиков, физиков и программистов, утверждают авторы изобретения. Квантовые алгоритмы вычисления могут изменить правила игры в компьютерном мире. Например, становится уязвимым один из самых распространенных и безопасных способов шифрования RSA. Он базируется на использовании разложения на простые множители. А квантовый Алгоритм Шора способен разложить простое число на множители намного быстрее классических алгоритмов — за время, сопоставимое с умножением этих самых простых чисел.