Специалисты по квантовым информационным технологиям радиофизического факультета ТГУ вместе с коллегами из Москвы и Новосибирска впервые в мире показали лазерное излучение на NV-центрах в алмазе. Это еще один шаг, который приблизил ученых к созданию полноценного квантового компьютера.

Роковая ошибка

Вечером 1 июля 2002 года в небе над Боденским озером в Германии произошла страшная катастрофа. На высоте 10 634 метров над уровнем моря столкнулись два самолета – грузовой лайнер Boeing 757 компании DHL, летевший в Брюссель, и пассажирский борт Ту-154М «Башкирских авиалиний», который следовал из Москвы в Барселону.

Обломки двух самолетов рухнули в окрестностях города Юберлинген. Фрагменты летательных аппаратов находили в радиусе нескольких километров от точки столкновения в небе. Жертвами авиакатастрофы стал 71 человек: два пилота «Боинга», девять членов экипажа российского самолета и 60 пассажиров, среди которых было 52 ребенка. Выживших не было.

Расследование причин ужасной трагедии заняло почти два года. 1 мая 2004 года специальная комиссия опубликовала отчет, в котором рассказала о причинах катастрофы. Оказалось, что безопасным эшелонированием воздушных судов в этой зоне занималась частная швейцарская компания Skyguide. В тот роковой вечер в диспетчерском центре работало только два сотрудника.

Авиадиспетчеру Петеру Нильсену пришлось одновременно работать за двумя терминалами, когда его напарник вышел на перерыв. Мужчина долго пытался связаться с аэропортом Фридрихсхафена, чтобы сообщить о прибывающем с задержкой рейсе авиакомпании Aero Lloyd. Поэтому он слишком поздно заметил на другом терминале, что в небе опасно сближаются два самолета. Диспетчер попытался исправить ситуацию менее, чем за минуту до столкновения, но было уже слишком поздно. Ситуация наложилась на ошибки в кадровой политике руководства Skyguide и правилах Международной организации гражданской авиации, что привело к столкновению.

С момента трагедии над Боденским озером прошло 20 лет. События вокруг авиакатастрофы легли в основу американского фильма «Последствия» с Арнольдом Шварценеггером в главной роли и российской кинокартины «Непрощённый» с Дмитрием Нагиевым.

Глобальные авиационные организации учли ошибки в безопасности авиаперелетов, стоившие людям жизней. Но не все проблемы так легко исправить.

Вычисления длиной в тысячи лет

Основная проблема современной авиации, которую не удается решить, – высокая загруженность воздушного пространства. Авиакомпании и диспетчерские службы используют самые мощные компьютеры, чтобы одновременно рассчитать и проработать маршруты для сотен самолетов. Им приходится учитывать множество деталей, включая погодные условия и фактические задержки рейсов. Естественно, что в таком количестве данных легко может появиться ошибка, которая приведет к новой трагедии и будет стоить жизни еще десяткам или сотням людей.

Единственная вычислительная техника, которой под силу решить подобную задачу – квантовый компьютер. В отличие от классических компьютеров с линейной последовательной работой, он использует принципы квантовой механики, то есть параллельно совершает неограниченное количество простых вычислений. Квантовая система позволяет тысячи раз запускать одни и те же алгоритмы с большим набором данных и за минуты давать усредненный результат вычислений. Для сравнения, самому мощному суперкомпьютеру для тех же действий понадобится несколько тысячелетий непрерывных последовательных вычислений.

Одними из первых, кто предложил использовать квантовую вычислительную технику в авиалогистике, стали шведские физики из Технологического университета Чалмерса. В 2020 году они использовали прототип квантового процессора на основе двух и пяти кубитов, чтобы оптимизировать маршруты и расписание полетов авиалайнеров на основе реальных данных от авиалогистической компании Jeppesen.

Кубиты представляют собой простейшие вычислительные центры, примерно как транзисторы. Главное отличие в том, что цифровые элементы могут выдавать один бит со значением 0 или 1, а кубиты принимают весь спектр значений от 0 до 1, то есть находятся в суперпозиции.

Результаты при абсолютном нуле

Но до решения реальных проблем еще очень далеко. Развитие квантовых технологий идет медленно, а строительство настоящих квантовых компьютеров только-только начинается. Все дело в том, что большинство ученых используют кубиты на основе сверхпроводников. Это такие материалы, которые имеют нулевое сопротивление и вытесняют из своего объема магнитное поле. Такие кубиты могут сохранять свое квантовое состояние и проводить вычисления только в режиме сверхпроводимости при температуре чуть выше абсолютного нуля и максимальной защите от внешних воздействий. Такой саркофаг стоит десятки миллионов долларов. Но за неимением аналогов этот способ строительства квантовых компьютеров используют ведущие компании: Google, IBM, Intel и другие.

Теоретически кубит может быть представлен любым физическим объектом, который находится в состоянии суперпозиции и одновременно охватывает все числа от 0 до 1, а не только один вариант.

Ведущие ученые мира ищут материал, который сможет обеспечить им большое число кубитов, но при этом давать низкую вероятность ошибок – обязательный элемент квантовых вычислений. Для небольших систем в десятки кубит погрешность будет минимальна, но для серьёзной техники в тысячи и миллионы кубит пока не существует достаточно точных разработок. Главная мировая гонка сейчас идет в поисках идеальной основы для квантовых компьютеров.

Но еще в 2012 году группа исследователей из Гарварда предложила самый интересный вариант существования кубитов в твердотельной структуре при обычной комнатной температуре. Для этого ученые использовали сверхчистые алмазы, выращенные в лабораторных условиях. Известно, что их молекулярные дефекты (NV-центры) имеют свойства отдельных атомов. Это узлы кристаллической решетки, в которых атом углерода заменили на атом азота.

NV-центр имеет собственный спин, который можно поляризовать, контролировать, менять его ориентацию и записывать данные. Проблема была лишь в том, что ранние системы на основе алмаза могли удерживать информацию в течение одной миллионной доли секунды. Исследователи Гарварда смогли сохранить данные на протяжении целых двух секунд, что стало рекордом. Это достижение сравнивали с полетом на Луну.

За прошедшие 10 лет технологии производства искусственных алмазов шагнули далеко вперед. Материал стал доступен для широкого коммерческого использования в электронике и фотонике. Производители научились синтезировать образцы с чистотой не менее 99,99 процентов.

Решение от российских физиков

Прорыв в исследовании квантовых технологий на основе алмазных кубитов сделали сотрудники лаборатории квантовых информационных технологий радиофизического факультета Томского Государственного Университета. В коллаборации с коллегами из ВНИИА, МГУ, ИГМ СО РАН, ООО «Велман» и ИСЭ СО РАН они впервые в мире продемонстрировали лазерное излучение на NV-центрах алмаза при оптическом лазерном возбуждении.

Ученые использовали направленные импульсы с зондирующим лазерным лучом с длиной волны 720 нм, шириной спектра 20 нм и продолжительностью 1 нс. Таким образом они смогли создать алмазный лазер с общей энергией в десятки мкДж, что на три порядка выше предыдущих образцов.

Евгений Липатов, заведующий лабораторией квантовых информационных технологий радиофизического факультета Томского Государственного Университета говорит, что его команда приближается к созданию предпромышленной версии алмазного лазера.

По своим параметрам устройство имеет уникальное сочетание теплопроводности, низкого теплового расширения и механической прочности, что в итоге делает кристалл алмаза отличным кандидатом для создания мощного непрерывного или ультракороткого лазера. А характеристики материала позволят устройству работать даже при высоких уровнях радиации или в условиях химически агрессивных сред. Подробное описание проведенных экспериментов опубликовано в журнале Nature Communications.

Открытие инжекционных алмазных лазеров учеными из Томска стало еще и очередным шагом на пути создания простого квантового компьютера на основе алмаза. Следующим этапом Евгений Липатов видит работу над созданием быстродействующих квантовых сенсоров магнитного поля. Дальше станет реальным строительство уже полноценной квантовой вычислительной машины, которая будет работать при комнатной температуре.

Такой компьютер сможет просчитывать огромные массивы данных для нужд самых разных сфер: медицины, биологии, физики. Вычисления, которые сейчас невозможны из-за длительности в десятки сотен тысяч лет, помогут ученым делать новые прорывы в науке. А в авиации квантовые компьютеры помогут диспетчерам контролировать воздушное пространство планеты, заранее предотвращая любые опасные ситуации сближения отдельных самолетов.