Алмазные решения для квантовых задач
Алексей Лагутенков
Приблизительно за пятьсот лет до нашей эры человечество открыло для себя минерал, на постижение природы которого ушло почти две тысячи лет.
В 1772 году великий французский учёный Антуан Лавуазье сфокусировал лучи солнца на алмазном кристалле и полностью сжёг его, получив углекислый газ. Тем самым он наглядно доказал, что алмаз имеет ту же природу, что и уголь, используемый для топки печей.
В то время огранённые алмазы — бриллианты — уже стоили дорого, поэтому на протяжении XVIII и XIX веков толпы химиков, физиков и магистров магии неустанно портили тонны каменного угля и прочих горючих материалов, безуспешно пытаясь превратить их в алмазы. Тогда вряд ли кому-то могло прийти в голову, что этот драгоценный минерал формируется в недрах Земли на глубинах 150—800 км, при давлении почти в 50 000 атм и температурах 1100—1800°С. На осознание этого факта людям понадобилось почти два столетия.
Первые искусственные алмазы синтезировали в 1950-х годах почти одновременно в Европе, США и СССР. Кристаллы получались мелкие и низкокачественные, но никто и не думал использовать те искусственные алмазы для ювелирного дела. Тогда мир нуждался в абразивах, и вряд ли какой-то другой материал лучше подходил для этих целей. Всего было изобретено четыре технологии синтеза алмазов, но лишь две из них имеют важное промышленное значение: HPHT (от англ. high pressure high temperature — синтез при высоком давлении и высокой температуре в специальных прессах) и CVD (от англ. chemical vapor deposition — химическое осаждение из газовой фазы в особых реакторах при пониженном давлении).
Научные знания ХХ века дали людям понимание, что алмаз — это гораздо больше, чем просто блестящая вставка в золотом колечке. Исключительная теплопроводность и отсутствие электрической проводимости этого минерала позволяют использовать его как идеальный теплоотвод в микроэлектронике. Линзы, созданные из алмаза, способны выдержать высокие температуры и огромные дозы радиации. Впрочем, наиболее интересные свойства «неразрушимого» были открыты лишь в XXI веке. Исследования последних лет говорят о том, что этот минерал может стать основой очень мощного квантового вычислителя.
Обычный компьютер имеет дело с единицей информации, называемой «бит». Это одноразрядная информационная ячейка, работающая по принципам двоичной системы исчисления и принимающая всего два значения: «0» или «1». В традиционной полупроводниковой электронике они реализованы на базе кремниевых транзисторов. Но количество информации, генерируемой человечеством, растёт с каждым годом всё быстрее, и никакие, даже самые мощные классические вычислительные машины не могут преуспеть в этой гонке. Однако теоретически возможны устройства, способные почти мгновенно обработать гигантские объёмы информации и дать ответ, — «квантовые компьютеры».
Статья не ставит задачу объяснить принципы работы квантовых компьютеров, заметим только, что они используют законы квантовой механики, и это делает их работу принципиально отличающейся от классических компьютеров. Они используют так называемые квантовые биты — «кубиты», которые способны вмещать больше информации: не только ноль и единицу, но и промежуточное значение, которое называется «суперпозиция» (см. «Наука и жизнь» № 1, 2001 г., статья «Квантовые компьютеры»).
Основные достоинства квантовых компьютеров — параллельность вычислений и, как следствие, совершенно фантастическая скорость обработки информации. Некоторые задачи квантовые системы способны решать в тысячи раз быстрее классических компьютеров. Правда, такой эффект возникает далеко не всегда и не на всех алгоритмах.
На роль кубитов претендуют различные квантовые системы, но большинство из них способны работать лишь при сверхнизких температурах. Однако кубит на основе структурного NV-дефекта кристаллической решётки алмаза, созданный Михаилом Лукиным и его коллегами из Гарвардского университета, способен сохранить работоспособность даже при комнатной температуре (см. «Наука и жизнь» № 12, 2013 г., статья «Вторая квантовая: от революции понимания к революции применения»). NV-дефект представляет собой атом азота и углеродную вакансию (отсутствие атома углерода на своём месте) в соседнем узле кристаллической решётки алмаза. С каждым таким NV-центром связан электрон, состояния спина которого рассматривают как логические состояния кубита. Изменяют их с помощью лазера.
Алмаз представляет собой атомы углерода, объединённые в устойчивую структуру — кристаллическую решётку. Именно эта решётка — причина исключительной твёрдости алмаза. Кроме углерода, в структуре алмаза могут встречаться примеси, чаще всего это азот. Кристаллическая решётка алмаза не настолько стабильна, как это может показаться. Облучение алмаза электронами с энергией больше 2 МэВ приводит к интересному эффекту. При столкновении такого электрона с атомом углерода последний вылетает со своего места в кристаллической решётке в межузловое пространство. При этом в узле решётки образуется так называемая углеродная вакансия. Выбитый атом углерода занимает устойчивое положение где-то в промежутке между узлами решётки. Такое его состояние называется интерстиция. Если теперь нагреть алмаз до температуры 600°С, интерстиции и вакансии обретут подвижность и начнут аннигилировать, но если температуру поднять до 800°С, то в решётке начнут мигрировать примесные атомы азота, перепрыгивая на места вакансий либо в соседние с вакансиями узлы. В кристаллах появляются NV-дефекты, образующиеся в результате захвата вакансий атомами азота.
NV-дефекты интенсивно люминесцируют при возбуждении светом видимого диапазона, при этом интенсивность свечения зависит от напряжённости магнитного поля. Эту особенность можно использовать для целого ряда высокотехнологичных применений. Устройство на основе алмаза с NV-дефектом, разработанное в Новосибирске под руководством доктора физико-математических наук Виктора Генриховича Винса, позволяет точечно измерить магнитное поле в диапазоне 10—500 Гс. С его помощью можно определить магнитное поле внутри электромотора или даже в активной зоне ядерного реактора. «У алмаза высокая радиационная стойкость, необходима гигантская доза радиации, чтобы устройство на его основе перестало работать, — рассказывает Виктор Генрихович. — Благодаря этому свойству люминесцирующие NV-дефекты в алмазе можно использовать для калибрующих датчиков магнитного поля, необходимых для ускорителей элементарных частиц, когда впрыск сгустка частиц в ускорительный тракт осуществляется при определённой величине поля».
В ближайшие годы в Новосибирске рядом с Академгородком будет построен СКИФ — Сибирский кольцевой источник фотонов, кольцевой ускорительный комплекс диаметром 150 м с линейной инжекцией электронов, которые разгоняются до релятивистских скоростей. На основном кольце ускорительного комплекса установлены электромагниты, при включении которых происходит искажение траектории движения разогнанных частиц, что, в свою очередь, служит причиной возникновения жёсткого рентгеновского излучения с длиной волны около 1 ангстрема. Оно выводится через специальный канал длиной около 70 метров в экспериментальный зал, где установлено оборудование, позволяющее с помощью этого излучения, называемого синхротронным, заглянуть внутрь микрообъектов, например, в живую клетку. Точка выхода синхротронного излучения из канала — очень узкая область, её чрезвычайно тяжело «поймать». Материалы, которые можно использовать в качестве индикаторов синхротронного излучения и которые способны работать с настолько высокими уровнями радиации, существуют, но наиболее практичный из них — искусственный алмаз с дефектом кристаллический решётки: под действием синхротронного излучения он ярко светится, или «люминесцирует», в точке выхода излучения. Обычный синтетический алмаз с NV-дефектом был бы отличным решением, если бы не высокая температура в рабочей области. Квантовые эффекты NV-дефекта сохраняют устойчивую работоспособность вплоть до комнатной температуры, однако на выходе выводного канала СКИФ температура достигает 400°С, с которой NV-дефект справиться не в состоянии. Новосибирской группе исследователей под руководством В. Г. Винса удалось разработать и создать синтетический алмаз с особым дефектом, отличным от NV, который сохраняет и даже усиливает своё свечение в точке выхода жёсткого рентгеновского излучения при высокой температуре, тем самым точно указывая местоположение синхротронного потока.
Проверка документов на подлинность — ещё одно применение синтетических алмазов. Для этих целей разработана «алмазная краска». Она представляет собой полимеризующуюся жидкость, содержащую порошок из низкокачественных микрокристаллов алмаза с внедрёнными NV-дефектами. Краску наносят на защищаемую купюру или ценную бумагу, а наличие и подлинность этой краски можно проверить с помощью специально разработанного детектора.
Синтетические алмазы с NV-дефектами применяют в навигационных системах. В Сколково в сотрудничестве с новосибирскими специалистами разрабатывается проект спинового гироскопа, который станет основой для современных систем наведения.
Наконец, NV-дефект — это и так называемый центр окраски, придающий алмазу розовые и красный оттенки. Природные бриллианты розового и красного цветов — самые редкие и дорогие камни в мире. Стоимость таких крупных бриллиантов может достигать миллионов долларов за один карат. Цена синтетических красных и розовых алмазов значительно скромнее, она не превышает нескольких тысяч долларов за один карат. Производство таких камней позволяет окупать инвестиции в научную деятельность и служит источником средств для совершенствования технологии НРНТ.
Блестящее будущее синтетическим алмазам пророчили ещё в СССР. В 1980-х годах в Институте геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН был создан БАРС (Беспрессовая Аппаратура высокого давления «Разрезная Сфера»), одна из наиболее совершенных HPHT-установок для выращивания алмазов. Сейчас технологии ушли далеко вперёд, и бόльшая часть алмазов синтезируется в Китае с помощью кубических прессов и газохимических реакторов низкого давления. Но несмотря на это у новосибирских БАРСов всё ещё остаётся большой потенциал для реализации. Во всяком случае, для получения высококачественных алмазов для ультравысокотехнологичных применений до сих пор лучше БАРС аппарата нет.
Спрос на природные алмазы и бриллианты падает уже долгие годы. В то же самое время люди только недавно начали понимать преимущества и перспективы, которые может дать использование синтетических алмазов в разных областях. С развитием физики и информационных технологий созданным в лаборатории камням находятся всё более необычные области применения. Сегодня вряд ли можно уверенно сказать, когда конкретно будет создан многокубитный квантовый компьютер на базе алмазного NV-дефекта и будет ли он вообще когда-нибудь построен. За квантовыми вычислениями, возможно, будущее, но говорить об их роли пока сложно. Сегодняшние квантовые машины применимы для решения лишь узкого круга специализированных задач. Удастся ли современным инженерам решить невероятно сложную задачу совмещения неизвестных ранее принципов вычислений с новейшими конструкционными материалами, покажет лишь время. Гораздо более определённо можно говорить о синтетических алмазах. За ними будущее, в том числе в таких областях, о которых мы сегодня и представления не имеем!
Читайте в любое время
