Японские исследователи разработали систему производства алмазов с очень высокой степенью чистоты. Их цель — использовать их в качестве компонентов для квантовых компьютеров, благодаря их особым свойствам. Полученные алмазы могут хранить эквивалент одного миллиарда дисков Blu-ray на диске диаметром 5 сантиметров.
«Диаметр вновь разработанной алмазной пластины составляет 2 дюйма (около 55 мм), что гораздо больше, чем имеющиеся в настоящее время кристаллы размером 4 мм × 4 мм«, — говорится в пресс-релизе компании Namiki Precision Jewel Co, которая разработала новый материал совместно с Университетом Сага. Эти алмазные «срезы» могут быть использованы в качестве носителей информации в квантовых компьютерах.
Квантовый компьютер опирается на принципы квантовой физики для выполнения своих вычислений. Квантовая физика — это наука, изучающая поведение материи и света на микроскопическом, или атомном, уровне. Действительно, наблюдая за материей в таких масштабах, ученые постепенно обнаружили, что она ведет себя совершенно неинтуитивно по сравнению с классической физикой. Именно изучение этих форм поведения позволило выявить новые физические принципы. Они исследуются и по сей день. Одно из конкретных применений этой физики — создание квантовых компьютеров.
Классический компьютер основан на «битах». Они являются основной единицей информации. Бит может находиться в состоянии 0 или 1, и именно на этих 0 и 1 основаны все более сложные коды в компьютерах, составляющие программы. В квантовом компьютере используются «кубиты». Они могут быть как 0, так и 1, в суперпозиции состояний. Это известно как «квантовым принципом суперпозиции».
Более конкретно, то, что называется «кубитами», на самом деле является атомами, которые «организованы» различными способами так, чтобы они взаимодействовали друг с другом и переходили в квантовые состояния, необходимые компьютеру. Используются различные типы атомов и различные системы. Например, существуют «магнитные ловушки» для положительных ионов. Алмаз — еще одна перспективная система хранения кубитов, исследования которой ведутся уже несколько лет.
Особый дефект в структуре кристалла, известный как «азотно-лаковый центр», или NV, может быть использован для хранения данных в виде квантовых битов. «NV-центр состоит из атома азота и соответствующей щели в решетке алмаза. Этот NV-центр может формировать крошечные магнитные силы и функционировать как квантовая память на атомном уровне«, — объясняют исследователи. Однако эта система сталкивается с некоторыми трудностями. Именно атом азота обеспечивает его работу. Однако слишком большое количество азота в алмазе нарушает его возможности квантовой памяти. В идеале, следовательно, нам нужно создать очень чистый алмаз, но достаточно большой, чтобы обеспечить «место для хранения». Но это нелегкая задача.
Обычно (не природные) алмазы изготавливаются путем выращивания кристаллов на плоской поверхности — подложке. Но если они слишком большие, то могут легко треснуть под нагрузкой. Поэтому на этот раз исследователи применили другой метод. Они использовали не плоскую поверхность, а поверхность в форме лестницы, чтобы по-разному распределить напряжение и избежать растрескивания.
Таким образом, им удалось создать алмаз размером чуть более пяти сантиметров с очень высокой степенью чистоты. Они назвали его Kenzan Diamond. По их словам, по объему памяти он может хранить эквивалент миллиарда дисков Blu-ray. Для сравнения, однослойный диск Blu-ray вмещает 25 Гб данных. Таким образом, емкость хранилища алмаза составит 25 экзабайт, что, по словам компании, «эквивалентно всем мобильным данным, распространенным в мире за один день».
Ученые надеются выпустить материал в продажу в 2023 году и уже работают над увеличением его размера в два раза — до десяти сантиметров. Их результаты будут представлены 10 мая 2022 года на Международной конференции по технологии производства сложных полупроводников.