Добро пожаловать в азотную вакансию

Фотон (photon) возбуждает электрон (electron), передающий информацию связанному с ним углероду (Carbon). Способствует этому процессу азот вакансии (Nitrogen). Иллюстрация Physorg

Прочность алмаза связана с его уникальной формой пространственной организации углеродных атомов – наряду с сажей и графитом, из которого был получен еще и графен, монослой которого не превышает толщины в один атом. Но природа изобретательна и «вводит» в алмазную решетку разного рода примеси, замещая углерод. Наиболее известная из этих примесей – азот, имеющий несколько больший размер по сравнению с углеродом. Вытеснение последнего приводит к возникновению так называемой азотной вакансии (NV, nitrogen vacancy), обладающей уникальными квантовыми возможностями.

Дело в том, что в центре ее оказывается электрон, обладающий магнитным спином – собственным вращением вокруг оси (от англ. spin). Спин при поглощении фотона меняет направление своей оси. Информация об этом может передаваться – телепортироваться – на атом углерода, сохраняясь в его «памяти». По крайней мере это показано специалистами Университета Йокогамы, что в пригороде Токио. Отчет опубликован в журнале Communications.

Свою статью японские физики начинают с упоминания того, что квантовая телепортация лежит в основе информационных технологий будущего. Она обеспечивает перенос информации фотоном в ранее недоступное пространство. Информация сохраняется в квантовой памяти, попытка раскрытия которой ведет к ее разрушению. Авторы полагают, что им удалось осуществить надежный перенос информации о поляризованном фотоном ядерном спине изотопа углерода-13. Он был сопряжен с NV-центром алмазного кристалла. При этом углеродный спин поначалу оказывается связанным со спином электрона, поглощающим фотон микроволнового излучения.

Известно, что электрон, поглощающий квант энергии, переходит на более высокий энергетический уровень, где пребывает непродолжительное время. Затем релаксирует и возвращается в исходное состояние (ground). При этом электрон испускает часть полученной энергии в виде излучения (так нагревание металла приводит его к покраснению).

В Йокогаме использовали релаксацию электрона для распознавания его в ground-состоянии. Релаксация способствует переносу информации о поляризации фотона в память углерода, где она и хранится без возможности ее произвольного извлечения и «прочтения». Таким образом, схема с переносом квантового состояния позволяет адресно обращаться к интегрированной в ее памяти информации. Тем самым реализуются масштабные квантовые каскады повторителей для долговременной квантовой коммуникации. Это может быть положено в основу создания больших квантовых компьютеров, используемых в первую очередь в сверхточной метрологии.

Выше сказано, что недоступным хранилищем квантовой памяти служит атом углерода вблизи дефекта кристаллической решетки алмазного кристалла. Атом азота в такого рода дефекте представляет собой наномагнит. Приближение к такому объекту нанопроволоки толщиной в несколько сот нанометров позволило подводить к нему радио- и микроволновое излучение. А оно уже заставляет колебаться магнитное поле. Манипулирование микроволнами способствует деликатной передаче информации в пределах вакансии, наномагнит которой «заякоривает» электрон. Спин последнего связывается с ядерным спином углерода.

Перепутывание (энтанглмент) двух спинов по определению способствует «связи» квантовых характеристик объектов. Электрон, поглотивший фотон, переносит информацию о последнем на углерод, в результате чего и осуществляется квантовая телепортация. Подобного рода образования и получили название «повторители». Теперь речь идет о приспособлении их для передачи информации на большие расстояния.