Алмазы вечны - или, по крайней мере, влияние этого алмаза на квантовые вычисления может быть таким.

Команда, в которую входят ученые из Американского университета, создала квантовый компьютер в алмазе, первый в своем роде, который включает защиту от "декогеренции" - шума, который мешает компьютеру функционировать должным образом.

Демонстрация демонстрирует жизнеспособность твердотельных квантовых компьютеров, которые - в отличие от более ранних систем в газовом и жидком состояниях - могут представлять будущее квантовых вычислений, поскольку их можно легко масштабировать. Современные квантовые компьютеры, как правило, очень малы и, хотя и впечатляют, пока не могут конкурировать со скоростью более крупных традиционных компьютеров.

В состав многонациональной команды входили профессор Дэниел Лидар из Университета Калифорнии и постдокторант Чжихуэй Ван, а также исследователи из Технологического университета Делфта в Нидерландах, Университета штата Айова и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Их результаты будут опубликованы 5 апреля в Nature.

Разработанная командой Diamond квантовая компьютерная система включала два квантовых бита (называемых "кубитами"), состоящих из субатомных частиц.

В отличие от традиционных компьютерных битов, которые могут четко кодировать либо единицу, либо ноль, кубиты могут кодировать единицу и ноль одновременно. Это свойство, называемое суперпозицией, наряду со способностью квантовых состояний "туннелировать" через энергетические барьеры, однажды позволит квантовым компьютерам выполнять оптимизационные вычисления намного быстрее, чем традиционные компьютеры.

Как и все алмазы, алмаз, используемый исследователями, содержит примеси - вещества, отличные от углерода. Чем больше примесей в алмазе, тем менее привлекательным он является как ювелирное изделие, потому что из-за этого кристалл кажется мутным.

Команда, однако, использовала сами примеси.

Первым кубитом стало ядро азота-изгоя. Во втором дефекте сидел электрон, который стал вторым кубитом. (Хотя, выражаясь точнее, в качестве кубита использовался "спин" каждой из этих субатомных частиц.)

Электроны меньше ядер и выполняют вычисления намного быстрее, но также быстрее становятся жертвами "декогеренции". Кубит, основанный на большом ядре, намного стабильнее, но медленнее.

"Ядро имеет длительное время декогеренции - в миллисекундах. Вы можете подумать о нем как о очень медленном ", - сказал Лидар, который работает совместно с инженерной школой USC Viterbi и Колледжем литературы, искусств и наук USC Dornsife.

Хотя твердотельные вычислительные системы существовали и раньше, эта была первой, которая включила защиту от декогеренции - использование микроволновых импульсов для постоянного переключения направления вращения электронного спина.

"Это немного похоже на путешествие во времени", - сказал Лидар, потому что переключение направления вращения во времени устраняет несоответствия в движении, когда кубиты возвращаются в исходное положение.

Команда смогла продемонстрировать, что их система, заключенная в алмаз, действительно работает квантовым образом, увидев, насколько точно она соответствует "алгоритму Гровера".

Алгоритм не нов - Лов Гровер из Bell Labs изобрел его в 1996 году, - но он демонстрирует перспективы квантовых вычислений.

Тест представляет собой поиск в неотсортированной базе данных, сродни тому, как вам говорят искать имя в телефонной книге, когда вам дали только номер телефона.

Иногда вы чудесным образом находите его с первой попытки, в других случаях вам, возможно, придется просмотреть всю книгу, чтобы найти его. Если бы вы выполняли поиск бесчисленное количество раз, в среднем вы нашли бы искомое имя, просмотрев половину телефонной книги.

Математически это можно выразить, сказав, что вы найдете правильный выбор за X / 2 попытки - если X - это общее количество вариантов, которые вам нужно просмотреть. Итак, всего четыре варианта, и вы найдете правильный в среднем после двух попыток.

Квантовый компьютер, используя свойства суперпозиции, может найти правильный выбор намного быстрее. Математика, лежащая в его основе, сложна, но с практической точки зрения квантовый компьютер, просматривающий несортированный список из четырех вариантов, каждый раз найдет правильный выбор с первой попытки.

Хотя новый компьютер и не идеален, он делает правильный выбор с первой попытки примерно в 95 процентах случаев - этого достаточно, чтобы продемонстрировать, что он работает квантовым образом.