Алмазные решения для квантовых задач.

Приблизительно за пятьсот лет до нашей эры человечество открыло для себя минерал, на постижение природы которого ушло почти две тысячи лет. По сравнению с иными драгоценными камнями он выглядел довольно скромно, поскольку его трудно было отполировать, разрезать и даже по- царапать другим материалом — настолько он был твёрд. Его даже расколоть удавалось не всегда. Древние греки назвали этот ка- мень «адамас», что означает «неодолимый» или «неразрушимый». Нам он известен как алмаз.
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 — брил- лианты — 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 тем- пературах 1100—1800оС. На осознание этого факта людям понадобилось почти два столетия.
Первые искусственные алмазы синте- зировали в 1950-х годах почти одновре- менно в Европе, США и СССР. Кристаллы получались мелкие и низкокачественные, но никто и не думал использовать те ис- кусственные алмазы для ювелирного дела. Тогда мир нуждался в абразивах, и вряд ли какой-то другой материал лучше подходил для этих целей. Всего было изобретено че- тыре 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 специ- альных 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 по- нимание, что алмаз — это гораздо больше, чем просто блестящая вставка в золотом ко- лечке. Исключительная теплопроводность и отсутствие электрической проводимости этого минерала позволяют использовать его как идеальный теплоотвод в микро- электронике. Линзы, созданные из алмаза, способны выдержать высокие температу- ры и огромные дозы радиации. Впрочем, наиболее интересные свойства «нераз- рушимого» 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 еди- ницей 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 реали- зованы 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 прин- ципы работы квантовых компьютеров, за- метим только, что они используют законы квантовой механики, и это делает их работу принципиально отличающейся от класси- ческих компьютеров. Они используют так называемые квантовые биты — «кубиты», которые способны вмещать больше ин- формации: не только ноль и единицу, но и промежуточное значение, которое называ- ется «суперпозиция» (см. «Наука и жизнь» No 1, 2001 г.).

Основные достоинства квантовых ком- пьютеров — параллельность вычислений и, как следствие, совершенно фантасти- ческая 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 рабо- тоспособность даже при комнатной темпе- ратуре (см. «Наука и жизнь» No 12, 2013 г.). NV-дефект представляет собой атом азота и углеродную вакансию (отсутствие атома углерода на своём месте) в соседнем узле кристаллической решётки алмаза. С каж- дым таким NV-центром связан электрон, состояния спина которого рассматривают как логические состояния кубита. Изменяют их с помощью лазера.
Алмаз представляет собой атомы угле- рода, объединённые в устойчивую структу- ру — кристаллическую решётку. Именно эта решётка — причина исключительной твёр- дости 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 элект- ронами с энергией больше 2 МэВ приводит к интересному эффекту. При столкновении такого электрона с атомом углерода послед- ний вылетает со своего места в кристалли- ческой решётке в межузловое пространство. При этом в узле решётки образуется так называемая углеродная вакансия. Выбитый атом углерода занимает устойчивое поло- жение где-то в промежутке между узлами решётки. Такое его состояние называется интерстиция. Если теперь нагреть алмаз до температуры 600оС, интерстиции и ва- кансии обретут подвижность и начнут ан- нигилировать, но если температуру поднять до 800оС, то в решётке начнут мигрировать примесные атомы азота, перепрыгивая на места вакансий либо в соседние с ва- кансиями узлы. В кристаллах появляются NV-дефекты, образующиеся в результате захвата вакансий атомами азота.
NV-дефекты интенсивно люминесцируют при возбуждении светом видимого диа- пазона, при этом интенсивность свечения зависит от напряжённости магнитного поля. Эту особенность можно использовать для целого ряда высокотехнологичных приме- нений. Устройство на основе алмаза с NV- дефектом, разработанное в Новосибирске под руководством доктора физико-матема- тических наук Виктора Генриховича Винса, позволяет точечно измерить магнитное поле в диапазоне 10—500 Гс. С его помо- щью можно определить магнитное поле внутри электромотора или даже в активной зоне ядерного реактора. «У алмаза высокая радиационная стойкость, необходима ги- гантская доза радиации, чтобы устройство на его основе перестало работать, — рас- сказывает Виктор Генрихович. — Благодаря этому свойству люминесцирующие NV-де- фекты в алмазе можно использовать для калибрующих датчиков магнитного поля, необходимых для ускорителей элементар- ных 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 ком- плекс диаметром 150 м с линейной инжек- цией электронов, которые разгоняются до релятивистских скоростей. На основном кольце ускорительного комплекса уста- новлены электромагниты, при включении которых происходит искажение траектории движения разогнанных частиц, что, в свою очередь, служит причиной возникновения жёсткого рентгеновского излучения с дли- ной 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 чрез- вычайно 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 — искусст- венный алмаз с дефектом кристаллический решётки: под действием синхротронного излучения он ярко светится, или «люминес- цирует», в точке выхода излучения. Обыч- ный синтетический алмаз с NV-дефектом был бы отличным решением, если бы не высокая температура в рабочей области. Квантовые эффекты NV-дефекта сохраня- ют устойчивую работоспособность вплоть до комнатной температуры, однако на выходе выводного канала СКИФ темпера- тура достигает 400оС, 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 «ал- мазная краска». Она представляет собой полимеризующуюся жидкость, содержащую порошок из низкокачественных микрокрис- таллов 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 новосибир- скими специалистами разрабатывается проект спинового гироскопа, который станет основой для современных систем наведения.

Необработанные алмазы, полученные по технологии HPHT.

Наконец, NV-дефект — это и так называ- емый центр окраски, придающий алмазу розовые и красный оттенки. Природные бриллианты розового и красного цве- тов — самые редкие и дорогие камни в мире. Стоимость таких крупных бриллиан- тов может достигать миллионов долларов за один карат. Цена синтетических красных и розовых алмазов значительно скромнее, она не превышает нескольких тысяч дол- ларов за один карат. Производство таких камней позволяет окупать инвестиции в научную деятельность и служит источником средств для совершенствования техноло- гии НРНТ.
Блестящее будущее синтетическим ал- мазам 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 давле- ния «Разрезная Сфера»), одна из наиболее совершенных HPHT-установок для выра- щивания алмазов. Сейчас технологии ушли далеко вперёд, и бόльшая часть алмазов синтезируется в Китае с помощью куби- ческих 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 высокока- чественных алмазов для ультравысокотех- нологичных применений до сих пор лучше БАРС аппарата нет.
Спрос на природные алмазы и брил- лианты падает уже долгие годы. В то же самое время люди только недавно начали понимать преимущества и перспективы, которые может дать использование син- тетических 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, возмож- но, будущее, но говорить об их роли пока сложно. Сегодняшние квантовые машины применимы для решения лишь узкого круга специализированных задач. Удастся ли сов- ременным 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 облас- тях, о которых мы сегодня и представления не имеем!

Алексей ЛАГУТЕНКОВ.
Наука и Жизнь, 2020.

Log in with your credentials

Forgot your details?