Эксперт № 48 (2013)

Эксперт Эксперт Журнал

Михаил Лукин (справа) уверен, что время коммерциализации квантовой физики наступило

Фото предоставлено Российским квантовым центром

— А кто сейчас занимается разработкой таких систем?

— Есть уже несколько компаний. Одна из них в Швейцарии (ID Quantique), другая —

в США, недалеко от нас в штате Массачусетс (MagicQ). Правда, пока о массовой продаже таких систем речь не идет — продаются лишь единичные экземпляры. Дело в том, что у квантовой криптографии есть одна фундаментальная проблема — длина, на которую можно посылать отдельные фотоны, очень ограниченна, уже после прохождения десяти—двадцати километров по оптоволокну такой закодированный одиночный фотон поглощается, и соответственно, пропадает и сама пересылаемая информация. Эта проблема существует и при передаче обычных, классических сигналов, но в случае со стандартными телекоммуникациями она решается благодаря тому, что можно поставить, условно говоря, через каждые сто километров специальные усилители сигналов. Такая схема усиления не работает для квантовых сигналов, поскольку мы имеем дело с одиночными фотонами и, вместо того чтобы их сохранить, при применении подобных усилителей в лучшем случае просто усилим сопутствующий шум.

Но есть другая возможность — использовать квантовый аналог такого стандартного усилителя упоминавшийся мной квантовый репитер, который работает, грубо говоря, в качестве прибора, исправляющего ошибки передачи информации. Исследования показали, что при помощи специального кодирования информации и так называемого квантового запутывания подобные квантовые репитеры сконструировать можно. А значит, передача квантовой информации на большие расстояния, до нескольких тысяч километров, реально осуществима.

— Относительно недавно появились сообщения, что вам удалось серьезно продвинуться в области квантовой спектроскопии в наноразмерном диапазоне…

— Это совершенно новый для нас вид деятельности, который мы начали серьезно развивать с середины прошлого десятилетия. К тому времени эксперименты с атомами уже довольно-таки хорошо работали, и мы стали задумываться о том, как можно сделать нечто похожее, используя уже твердотельную систему. И в какой-то момент выяснилось, что одной из таких систем могут стать примеси в алмазах. Хорошо известно, что алмаз сам по себе — уникальный материал, потому что, во-первых, он очень твердый, а во-вторых, у него очень широкая зона проводимости. Благодаря этому примесные атомы, в качестве которых мы обычно используем атомы азота, при имплантировании в алмаз оказываются очень хорошо изолированными от внешнего мира.

Иными словами, оказалось, что, если улучшить качество алмаза и научиться искусственно управлять такими отдельными атомами, из них, по идее, можно получить очень надежные квантовые биты (кубиты, единицы хранения и передачи информации). То есть с такими примесными системами в алмазах можно делать практически все, что мы с таким трудом научились делать с отдельными атомами, но при этом нам уже не потребуется создавать особые условия — не нужны будут вакуум, очень низкие температуры и тому подобное.

Наша первоначальная идея заключалась в том, чтобы использовать эти алмазные

примеси, которые в специальной литературе называются NV-центрами, или азотозамещенными вакансиями, по традиционной схеме, в качестве тех же квантовых репитеров. И этим магистральным направлением мы в принципе продолжаем заниматься и сейчас, как, впрочем, и многие другие научные лаборатории по всему миру: думаю, что в эту работу вовлечено уже порядка сотни различных групп.

Первые эксперименты с использованием NV-центров были проведены в нашей гарвардской лаборатории и группой, возглавляемой Йоргом Рафтрупом и Федором Железко, в Штутгартском университете, причем с Железко и его коллегами мы активно сотрудничали на начальных этапах. Интересно, что мы подошли к этой проблеме, отталкиваясь от квантовой оптики и квантовой информатики, тогда как Федор и Йорг занимались непосредственно физической природой и свойствами этих примесей, и именно они первыми обнаружили их удивительные возможности.

И самое главное их достоинство в том, что в качестве кубитов-кандидатов при комнатной температуре им пока просто нет альтернативы. В частности, еще несколько лет назад нам удалось в ходе эксперимента записать информацию в спин (электронный магнитный момент) такого NV-центра, а затем превратить ее в оптическую информацию, то есть считать в виде одиночного фотона.

В прошлом же году мы смогли осуществить эксперимент, в результате которого промежуток времени между записью такой информации и ее последующим считыванием составил порядка нескольких секунд. А когда мы только начинали эту работу, подобное состояние сохранялось всего около одной миллионной секунды.

— Каковы, по- вашему, практические перспективы этого магистрального направления?

— Один из возможных практических выходов от этой новой схемы — создание квантовых кредитных карт на алмазах. Но, скорее всего, более близкой перспективой станет создание первого рабочего прототипа комнатного мини-квантового компьютера (буквально пару недель назад такой протопип, сохраняющий стабильность при комнатной температуре на протяжении почти сорока минут, был уже продемонстрирован группой Майка Теволта из канадского Университета Саймона Фрейзера. — « Эксперт» ).

— А что вообще мешает создать нормально работающий квантовый компьютер?

— Главная проблема, безусловно, в том, что все квантовые состояния по своей природе крайне хрупкие и недолговечные. И даже в тех же NV-центрах в алмазах, как только начинаешь связывать друг с другом несколько кубитов, эта хрупкость системы сразу проявляется.

Как вообще работает квантовая память по этой схеме? NV-центры состоят из электронов, и обычно используются их магнитные моменты, спины. Эти магнитные моменты (состояния электронов) легко записать и легко затем считать, потому что в зависимости от того, каким именно магнитным моментом обладают электроны, NV-центр светит либо ярче, либо тусклее. То есть он может иметь два различных состояния и тем самым является идеальным кубитом. Но при этом такие электроны изолированы от внешнего мира довольно слабо, и при комнатной температуре самое длинное время жизни электронов, которое кому-либо удавалось зафиксировать, составляло всего одну тысячную секунды.