С каждым годом учёные приближаются к созданию квантового компьютера, в том числе и специалисты из Новосибирского государственного университета и Института физики полупроводников (ИФП) СО РАН.

Результаты последних достижений новосибирских физиков в области создания квантового компьютера были представлены на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT 2016, которая прошла в Минске. Тема доклада — резонансы Фёрстера для применения в квантовой информатике. Доцент НГУ, старший научный сотрудник лаборатории физики элементной базы квантовых вычислений и квантовых коммуникаций Междисциплинарного квантового центра НГУ и ИФП СО РАН Илья Бетеров выступил с докладом на тему применения резонансов Фёрстера в квантовой информатике.

Фёрстеровский перенос энергии (резонанс) — механизм переноса энергии между двумя группами атомов (от донора к акцептору), который происходит без промежуточного испускания фотонов и является результатом диполь-дипольного взаимодействия между донором и акцептором.

— Мы изучаем резонансный обмен энергией между двумя ультрахолодными атомами и показываем, что с помощью него можно делать достаточно точные квантовые операции, так предсказывают наши расчеты. В наших экспериментах мы непосредственно наблюдаем резонансный обмен энергией между парой взаимодействующих атомов, — говорит Илья Бетеров.

Квантовый компьютер создаётся учёными разных стран как инструмент для решения некоторых фундаментальных вопросов. Существуют задачи (поиск в неупорядоченной базе данных, факторизация больших чисел), на решение которых обычному компьютеру понадобится время, сравнимое с возрастом Вселенной. Но эти задачи могут быть легко решены с помощью квантового компьютера.

Для создания полноценного квантового компьютера необходимо не менее тысячи кубитов. Чтобы достигнуть такого уровня, учёным необходимо решить многие проблемы:

— Мы уже знаем, как быстро и какие задачи будет выполнять этот компьютер. Но возникает вопрос, каким способом его создать? Как оказалось, возможных реализаций очень много. Но все они отбираются по некоторым критериям, — отмечает учёный.

Эти критерии были сформулированы Давидом Дивинченцо. Во-первых, учёные должны создать масштабируемую систему, состоящую не менее чем из 1000 квантовых кубитов. Во-вторых, необходимо уметь инициализировать начальное состояние системы. Третье — проблема разрушения квантового состояния. В квантовой физике частица может находиться в двух состояниях одновременно. Между этими состояниями есть фазовые соотношения, которые очень легко сбиваются при взаимодействии с внешней средой. Это приводит к вычислительным ошибкам. Также требуется безошибочно проводить операции над двумя отдельными кубитами, даже если они находятся далеко друг от друга (нужна погрешность — не более 0,01%). Наконец, надо надежно измерять конечное состояние квантового регистра, в которое он попал после всех вычислений.

Если система будет удовлетворять всем пяти критериям, получится полноценный квантовый компьютер. В последнее время особенно перспективными считаются следующие системы: сверхпроводники, холодные ионы, азотные вакансии в алмазах и холодные нейтральные атомы.

Сравнение различных физических реализаций квантового компьютера


СверхпроводникиХолодные ионыАзотные вакансии в алмазахНейтральные атомы
Масштабирование системыВозможноСущественные ограниченияВозможно, но имеются трудностиВозможно
Успешная инициализация системыМетоды разработаныМетоды разработаныМетоды разработаныМетоды разработаны
Время жизни квантовых состоянийКороткоеОчень длинноеКороткоеДлинное
Точность выполнения двухкубитовых операцийВысокаяОчень высокаяВысокаяСредняя, в перспективе высокая
Умение измерять конечное состояние квантового регистраМетоды разработаныМетоды разработаныМетоды разработаныМетоды разработаны
ОсобенностиТвердотельная реализация при температуре жидкого гелияЭксперимент в вакуумной камере, предельная точностьТвердотельная реализация при комнатной температуреПрактически неограниченные возможности по масштабированию


Основной проблемой для реализации квантовых вычислений с холодными атомами является низкая точность операций с парами атомами. В настоящее время в экспериментах в США используется эффект дипольной блокады, который «перепутывает» квантовые состояния. Но этот эффект требует больших энергий межатомного взаимодействия, что и может приводить к снижению точности.

Новосибирские учёные совместно с американскими и британскими физиками предлагают использовать резонанс Фёрстера и реализовать квантовые операции с атомами, которые взаимодействуют достаточно слабо. Атомы при этом находятся во внешнем электрическом поле, которое управляет резонансами. Такое взаимодействие исследуется в экспериментах, проводимых в Новосибирске.

Исследования проводятся в группе, которую возглавляет заведующий лабораторией физики элементной базы квантовых вычислений и квантовых коммуникаций НГУ, завлаб нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН Игорь Рябцев. Работы ведутся на единственной в России экспериментальной установке с одиночными холодными высоковозбужденными атомами:

— В мире таких установок, наверное, несколько десятков, в России, кроме нашей, нет. То есть наши коллеги, в основном, из-за рубежа, — подчеркивает Илья Бетеров.

На сегодняшний день, по словам учёного, есть только две экспериментальные группы, которые уже продемонстрировали создание больших квантовых регистров с холодными атомами, количество кубитов в которых не превышает сотни. Одна из них находится в Университете Висконсина (США), другая — в Институте оптики (Франция).

Новосибирские учёные подготовили на основе последних результатов статью «Двухкубитовые квантовые операции на основе адиабатического прохождения подстраиваемых электрическим полем резонансов Фёрстера в ридберговских атомах», которая направлена в журнал Physical Review A. Результаты экспериментов также опубликованы в только что вышедшей в этом же журнале статье «Форма линии и временная динамика резонансов Фёрстера для двух ридберговских атомов в зависящем от времени электрическом поле».

Дмитрий Пасечник, Анастасия Аникина

Похожие новости

  • 30/09/2019

    XIV Российская конференция по физике полупроводников получила высокую оценку экспертов

    ​В сентябре 2019 года Институт физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН стал основным организатором XIV Российская конференция по физике полупроводников. Впервые за время существования мероприятия был сделан акцент на прикладном направлении: ИФП СО РАН подготовил выставку своих разработок, нашедших применение в промышленности.
    365
  • 26/08/2016

    Ученые СО РАН представили результаты работы на Международной конференции в области высоких энергий

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН приняли участие в 38-й Международной конференции в области физики высоких энергий в Чикаго (ICHEP-2016).
    3215
  • 21/12/2016

    В новосибирском Академгородке проходит 9-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов»

     ​С 19 по 21 декабря в конференц-зале Института автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск, Академгородок) проходит конференция «Физика ультрахолодных атомов». Организовали конференцию Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Институт лазерной физики СО РАН, Институт физики полупроводников СО РАН и Новосибирский государственный университет.
    1973
  • 20/06/2016

    В Институте ядерной физики СО РАН состоится 30-е международное совещание по физике токамаков

    С 21 по 25 июня в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) пройдет 30-е международное совещание по физике токамаков (The International Tokamak Physics Activity, ITPA). Мероприятия этой серии проводятся коллаборацией ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) дважды в год – во Франции, где сооружается установка, и в одной из стран-участниц проекта.
    3186
  • 05/11/2019

    В Новосибирске пройдет конференция «Физика ультрахолодных атомов»

    ​16-18 декабря 2019 года в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) пройдет конференция «Физика ультрахолодных атомов - 2019». Всероссийская конференция "Физика ультрахолодных атомов" является ежегодным научным форумом, имеющим целью обсуждение новых теоретических и экспериментальных результатов в области лазерного охлаждения атомов и ионов, оптических стандартов частоты, ультрахолодных Бозе- и Ферми-газов, нелинейной лазерной спектроскопии.
    350
  • 21/06/2019

    В Новосибирске специалисты «Швабе» обсудили проблемы фотоэлектроники

    ​В конце мая в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова прошла конференция «Фотоника-2019». Обсудить проблемы полупроводниковой фотоэлектроники собрались 180 участников из 20 городов России и ближнего зарубежья.
    348
  • 27/12/2017

    «Декабрьские чтения» прошли в Новосибирске

    ​С 21 по 23 декабря 2017 г. в Новосибирском государственном университете прошла конференция «Декабрьские чтения». Участниками из Москвы (МИ РАН. МГУ, ИППИ), Санкт-Петербурга (Университет ИТМО), Тель-Авива (Университет Тель-Авива), Красноярска (СФУ), Челябинска (ЧелГУ), Новосибирска (ИГиЛ СО РАН, ИННГ СО РАН, ИФП СО РАН) были сделаны доклады по актуальным проблемам геометрии, топологии, динамики,  и по направлениям мультидисциплинарных исследований.
    2014
  • 19/12/2017

    В новосибирском Академгородке проходит 10-я конференция «Физика ультрахолодных атомов»

    ​18 декабря 2017 года в Институте автоматики и электрометрии СО РАН открылась юбилейная 10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов». Организовали конференцию совместно Институт автоматики и электрометрии, Институт лазерной физики, Институт физики полупроводников СО РАН и Новосибирский государственный университет.
    1466
  • 27/04/2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» на МНСК-2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» — такая секция впервые была организована в рамках 55-ой Международной научной студенческой конференции, которая прошла 16-20 апреля в НГУ. Исследования и разработки в направлениях науки и техники, связанных с генерацией и распространением квантов света (фотонов), управлением ими, изучением и использованием их взаимодействия с веществом, бурно развиваются во всем мире, а результаты этих работ быстро выходят на рынок в виде высоковостребованных устройств и технологий - систем сверхбыстрой оптической связи, промышленных лазеров, биомедицинского лазерного оборудования, метрологических и сенсорных устройств, и многих других.
    2999
  • 14/09/2017

    10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов»

    ​18-20 декабря 2017 года в новосибирском Академгородке (ИАиЭ СО РАН) состоится 10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов». О конференции Всероссийская конференция "Физика ультрахолодных атомов" является ежегодным научным форумом, имеющим целью обсуждение новых теоретических и экспериментальных результатов в области лазерного охлаждения атомов и ионов, оптических стандартов частоты, ультрахолодных Бозе- и Ферми-газов, нелинейной лазерной спектроскопии.
    2708