ミハイルは量子コンピューターに取り組んでいます 。実際、コンピューターは動作しませんが、高精度センサーや超精密時計など、他の多くの興味深い実用的アプリケーションが判明しています。
現在、量子物理学で何が起こっているのでしょうか？
この科学の方向で何が起こっているかの本質を説明するには、レーザーの歴史を思い出す価値があります。 当初、レーザーは科学的なおもちゃの一種として発明されました。驚くべきことですが、絶対に実用的ではありませんでした。 科学者は彼の発明から10年連続して、これがその課題を探している答えだと冗談を言った。 その後の出来事-ご存知のとおり、多くのタスクが見つかりましたが、最大のものの1つは光ファイバーシステムを介したデータ伝送であり、本質的にはインターネットの物理的本質を構成しています。
現時点では、量子物理学者はそのような「おもちゃ」をいくつか持っており、それぞれが基礎科学の観点から非常に興味深いものですが、これまでのところ顕著な実用的応用はありません。 次に例を示します。1ビットをエンコードするには、約1000〜2000個の原子が必要です。 ムーアの法則によれば、10年以内に同じ量の情報をエンコードするのに必要な原子は1つだけになります。 古典的な性質は避けられ、量子物理学者が引き継ぎます。彼らはすでに
単一のアトムに情報を保存できますか？ 理論的には、そうです。 コアと電子は別々の部品のように見え、理論的にはすべてがデータをハードディスクに保存するという古い原則のように見えますが、それはレベルが低いだけです...しかし、量子世界では通常のプロセスの転送は機能しません。 実際、私たちは根本的な限界に立ち向かっています。
魔法の言葉「不可能」
従来の方法でデータを保存できない場合は、新しいメカニズムが必要です。 マイケルと彼の同僚のグループに関与しているのは彼らです。 新しいデータ処理プロセスが必要であることを理解すると、新しい視点が開きます。
電子と原子核には小さな磁気モーメント、スピンがあります。 電子または原子核がその軸の周りを回転し、この回転のために特定の極性がそこに現れ、磁気モーメントがそこに現れると想像できます。 この磁気モーメントは一種の磁気メモリと考えることができます。 この場合、単一性は磁石にエンコードされ、これが上向きになり、ゼロは磁石にエンコードされ、下向きになります。 さて、この最も単純なプロパティにより、古典的な情報をエンコードできます。 これは粒子の磁気特性であることが判明しました。つまり、量子オブジェクトです。 量子法則は、このような小さなサイズでの粒子の挙動を説明しています。 ゼロと1を書き込むことができるだけでなく、間にあるものを書き留めることもできます。つまり、0と1のいわゆる重ね合わせ（組み合わせ）を書き込むことができます。これは、めくれない磁石として想像できます。または下に、しかしどこか側に回されている磁石のように。 これは量子システムの非常に重要な特性であり、古典的なビットだけでなく、いわゆる量子ビットの情報をエンコードすることができます。
たとえば、量子力学の法則をこの表に適用すると、原則として、これらの法則に従って、この表の状態を作成して、ケンブリッジでの私の場所になり、同時にデジタル10月にモスクワで行うことができます。
単純化すると、単一の量子オブジェクト（シュレディンガー猫など）は、一度に2つの異なるデータセットを提供できます。 これにより、新しいタイプのドライブを構築するだけでなく、量子オブジェクトを使用して新しいタイプのプロセッサを作成できるようになります。 いくつかの可能な状態を一度に1ビットにエンコードすることが可能で、これにより非常に高度な並列化で情報を処理できます。 これは量子加速の考え方であり、量子コンピューターの開発における主要な考え方です。
量子コンピューターの現時点での主な問題は、これらの細胞が外部励起に対して単純に地獄的に敏感であることです。 したがって、科学者の1つのグループはマイクロワールドを何らかの形で安定化しようとしていますが、2番目のグループはこれらの特性を使用して、数百および数千個の原子のスケールの世界で可能なすべてよりも優れた感度の新世代のセンサーを作成します。
そして、これらすべてをどうするか？
今、最も重要なこと：どのように情報を記録し、読み、個々の原子に保存された情報を処理するか？ レーザー技術と共鳴法（病院で脳の検査に使用される）の共通部分を使用します。 この分野での最初の研究は、特にソ連で始まり、特にウラドレン・レトホフによって始められました。 特に、彼はレーザー冷却の発明者でした。彼はレーザーを使用して原子を移動、検出、冷却する方法を思いつきました。 現在、個々のイオンが電磁トラップの真空管に格納されるシステムは、量子コンピューターを実装するための最も可能性の高いプラットフォームの1つです。
ウラドレン・レトホフ
すでに、4つの量子ビットを持ち、さまざまな計算を実行できる量子コンピューター（プロトタイプ）が現代の標準では比較的大規模です。 これらの研究に基づいて、センサーの分野での革命、制御された量子材料の出現、超高速データ転送、新世代暗号システムについて話すことができることはすでに明らかです。 量子コンピューターを実際に組み立てることは可能でしょうか？ これまでのところ、科学者はこの質問に対する答えを知らないだけですが、試みは約15年間続いています-そしてうまくいかなければ、他のタスクへの答えは確かです。
たとえば、量子センサーと原子時計は、すでに大きなバイアスがかけられて開発されているトピックです。 たとえば、原子時計は、GPSネットワークとGLONASSネットワークの両方で重要なリンクです。 最も正確な原子時計は、冷却されたイオンでエンコードされた量子ビットを使用します。これは、現在量子コンピューターの作成に使用されているものです。 精度を1桁改善する価値があります。たとえば、ドライバーのいない車両を正確にナビゲートできます。 これは、小さな科学的成果の世界的な結果の例です。 そのような例は何百もあります。
問題は何ですか？
現在2つあります。 1つは、コンピューターの異国情緒です。 プロトタイプから実際に実行可能なスキームへのシステムのサイズの増加に伴い、すべてがより複雑になります。たとえば、真空管では、同時分離と制御の問題があり、解決する必要があります。 2番目の問題は、実際に量子コンピューターをどうするかという問題です。現在のレベルの開発は、非常に深刻な不安定性を意味し、実験室以外での実用化を事実上排除します。 最初のレーザーのように、それはまだ非常に深刻な何かを約束する単なるおもちゃです。
問題の一部は解決されています。 ミハイル・ルーキンと彼のチームは、別の核のスピンを使用して室温で動作する量子ビットを作成することができました。 この場合、状態は巨視的に長い時間（1秒以上）持続します-量子物理学の基準では、それはちょうど100年のようです。 この作業の主なアイデアは、ダイヤモンドサンプルに注入される個々の原子を使用することです。
なぜダイヤモンドなのか？
まず、それは堅実です。 第二に、大きなバンドギャップを持つユニークな半導体。 ダイヤモンドも非常に優れた熱伝導体です。 実験では、2種類のダイヤモンドを使用します。成長した立方体の巨視的サイズ（そのようなオブジェクトの多くはダイヤモンドダストです）。 それらは非常にきれいで、不純物はほとんどありません。 不純物が追加された場合、本質的には、真空管内の単一イオンなどの単一の孤立原子と比較できます。 ここでの違いは、原子が室温でも固体マトリックスに保存されることです。 マトリックスの中心の炭素原子を置き換える窒素原子が使用されます。 空のスポットを持つことはエネルギー的に有益であることが判明しました。これは、ダイヤモンドに含まれる数少ない不純物の1つであり、イオンと非常によく似た特性を持っています。
なんで？ この混合物が発光するためです。 ここに示されているのは、個々の原子が輝く純粋なダイヤモンドです。 彼もこのスピンを持っています。 先ほどお話しした磁気モーメントがあり、磁気量子情報をエンコードできます。 これらの不純物は、純粋なダイヤモンドから窒素イオンを照射するだけで作成できます。 これは、いくつかの並べ替えが行われ、この窒素-空孔カラーセンターでサンプルが作成される例です。
ダイヤモンドナノクリスタル
つまり、核キュービットを作成するために、炭素同位体のコアが使用されます。 ダイヤモンド格子は、原子番号12および13の2つの炭素同位体で構成されます。そのうちの1つだけが磁気モーメントを持ち、そのうちの1つだけがスピンを持ち、キュービットとして使用できます。
サンプルは、原子量12の同位体のみで実質的に構成され、その後、個々の核磁気モーメントの測定に使用されます。 レーザーはその中心の1つに焦点を合わせ、放射された光の量を測定して隣接する原子核を測定します。 光の量は2つの異なるレベル間をジャンプします。 これらの各レベルは、核磁気モーメントの特定の方向に対応しています。 このシステムが量子システムであることを示すのは、この光レベルの離散性です。 したがって、量子システムの安定したモデルがあります。
1つの量子システムが1つの状態で数分間生き続けることができます。 このシステムを実際にキュービットにするためには、状態の重ね合わせを提供する必要があります。 最近の測定では、この量子メモリを数秒間保存できることが示されています。 これは非常に重要です。通常のキュービットは、100万分の1秒から10億分の1秒まで生きます。 マイケルは、寿命を数分、あるいは数時間にまで延長できると考えています。
ブースでは-紙の上でもクールですが、次は何ですか？
キュービットは個々の窒素原子である場合があります。 ダイヤモンドでは、彼らは互いに対話することができます。 マイケルは、新しいプロセスを作成するためにキュービットの数を増やしようとしています。 2番目のシナリオは、量子インターネットの開発です。光子を使用して、メモリ情報をローカルプロセスに転送します。
可能なアプリケーションの1つは、量子情報学の分野全体を開始したStefan Biznerのアイデアです。 69年に、彼は量子ビットを使っていわゆる量子マネーを作ることを提案しました。 量子マネーの考え方は次のとおりです。量子形式で情報をエンコードする場合、コピーすることはできませんが、正しい方法で測定することにより、その信頼性を確認できます。
量子マネーはどのように機能しますか？
紙幣があり、この紙幣にはいくつかの量子ビットがあります。 誰かがこの紙幣をコピーしたい場合、すべての量子ビットの方向を測定する必要があります。 情報を状態の重ね合わせにエンコードすると、キュービットの実際の状態がエンコードされたものを理解することは不可能です。 同時に、情報をエンコードした銀行は、エンコードの方向が何であるかを知っており、それが実際の紙幣であることを確認できます。
これは単純なアイデアですが、60年代の終わりには誰もそれを信じませんでした。 Wiesner自身は、この理論を説明する記事をほぼ10年間公開しようとしました。 現在、この考え方は、情報の保存と送信に関する作業の方向性の基礎となっています。
他のアプリケーション？
調査によれば、トモグラフィーの解像度を、個々の原子または分子で見ることができる限界まで上げることができます。 マイケルのチームは、ダイヤモンドからスキャンセンサーを組み立てました。 先端に別の窒素原子を配置します。上記の方法でこの原子の特性を測定することにより、局所磁場を測定することができます。 特に、この実験では、磁場が測定されました。これは、3 nmのオーダーの解像度を持つ古典的なハードディスクによって作成されます。 さらに、そのような実験は生体内でも行うことができます。磁場を測定し、生きた細胞の磁気トモグラフィーを簡単に信じられないほどの解像度で行うことができます。 ところで、これは、たとえば脳の機能を理解するために非常に重要です。
この方向で作業している他のグループはありますか？
はい、ロシアにはスコンテルがあり、さらにミハイルは少なくとも量子コンピューターを作ろうとしているチームを知っています。
参照資料
- Digital Octoberでのマイケルのロシア語と英語の講義 。
- ハーバード量子物理学センター （マイケルベース）
- ロシアの量子センターでは、技術の発表があります。
- Schrodingerの猫に関するWiki 、脚注、なぜ猫ではなく猫なのか。