​Основы квантовых вычислений сформулировал в 1981 году Ричард Фейнман в лекции «Моделирование физики на компьютерах». Стоит упомянуть, что идею о возможности использовать для расчетов поведения квантовых систем другие квантовые системы еще за год до того высказывал советский математик Юрий Манин. С тех пор работы над квантовым компьютером так и идут параллельно в разных странах.

Из самых актуальных достижений можно отметить результат Гарвардской группы под руководством Михаила Лукина, чей 51-кубитовый квантовый компьютер (точнее сказать, «квантовый симулятор», поскольку для полноценного компьютера требуется около 1000 кубитов) решил первую серьезную задачу: исследовал динамику фазовых переходов между различными состояниями материи, вызванных квантовыми флуктуациями. В принципе, от еще не созданного квантового компьютера ученые ожидают гораздо большего, в частности, точного моделирования молекулярных взаимодействий и химических реакций. Единица хранения информации в квантовом компьютере – квантовый бит (или кубит). В качестве физического носителя кубита могут использоваться, например, сложные молекулы, управляемые методом ядерного магнитного резонанса, сверхпроводящие элементы с переходами Джозефсона, ионы в квазиэлектростатических ловушках, квантовые точки в полупроводниках или атомы, захваченные в световую волну.

В Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН при поддержке нескольких грантов Российского фонда фундаментальных исследований ведутся работы реализации элементарных квантовых логических операций с кубитами на основе наногетероструктур с квантовыми точками и ультрахолодных атомов.

Дирижируя ансамблем

– В нашем случае кубиты квантового компьютера – одиночные нейтральные атомы рубидия в оптических ловушках, – рассказывает заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики член-корреспондент РАН Игорь Рябцев. – Мы исследуем захваченные в световую волну атомы, которые образуют упорядоченные массивы. Для реализации наиболее сложных двухкубитовых операций возбуждаем их с помощью лазеров в ридберговское состояние. Основная причина применения в квантовой информатике ридберговских (высоковозбужденных) атомов – их сильное взаимодействие, большое время жизни, чувствительность к электрическому полю, управляющему взаимодействием. С помощью электрического поля мы также ионизуем атомы и регистрируем оторвавшиеся электроны электронным умножителем с вероятностью 70%. Соответственно, с такой точностью мы можем работать с одиночными атомами. Сигналы, которые мы измеряем, сортируются по числу атомов – от 1 до 5. Сегодня мы проводим эксперименты с маленьким ансамблем таких атомов, например, исследуем взаимодействие двух атомов, что и является основой выполнения двухкубитовых операций.

В Сибирском отделении работа по исследованию ридберговских атомов началась в 1980-х годах по инициативе академика Вениамина Чеботаева. Прорыв произошел почти 30 лет спустя, когда запустили первую в СО РАН установку с холодными атомами (до этого работали с атомным пучком). В 2010 году в лаборатории И.Рябцева впервые в мире наблюдали управляемое электрическим полем взаимодействие двух ридберговских атомов рубидия. Эксперименты выполнялись в магнитооптической ловушке с системой возбуждения и регистрации одиночных ридберговских атомов. К сожалению, как водится, запоздало финансирование. Ученым Института физики полупроводников пришлось ждать своего часа до 2019 года, когда, наконец, был запущен российский проект по созданию квантового симулятора на холодных и ридберговских атомах.

– Теперь приходится догонять зарубежных коллег, – продолжает И.Рябцев. – Главные проблемы на пути многочисленных групп, пытающихся создать квантовый компьютер, – масштабирование к большому числу кубитов и точность вычислений. Наилучшие результаты по точности достигнуты с кубитами на ионах и сверхпроводниках. Но там есть проблемы с масштабированием. В Google, например, создали 72-кубитовый квантовый симулятор, но разработчики пока не знают, как дальше наращивать число кубитов, а для полноценного квантового компьютера необходимо выйти на 1000 единиц информации. Достоинство нейтральных атомов в оптических решетках – их массивы можно легко наращивать. Группа М.Лукина уже продемонстрировала работу над массивом из сотен кубитов, достигнув точности двухкубитовых операций на уровне 95%. Мы к такому уровню пока не пришли, поскольку эксперименты очень дорогие, нужны современные лазеры и приборы. В этом году мы начали делать новую магнитооптическую ловушку: вакуумная камера с окнами большого диаметра, комплекс современных лазеров, в том числе изготовленный в Новосибирском государственном университете, детектор массива одиночных атомов на основе высокочувствительной видеокамеры и счетчиков фотонов.

Алгоритмы квантовых вычислений разбиваются на последовательность однокубитовых и двухкубитовых операций. Кубитом выступает 87-й изотоп рубидия, способный находиться в двух разных энергетических состояниях бесконечно долго. За рубежом в однокубитовых операциях уже достигнута точность в 99%, основная проблема – с двухкубитовыми: надо уметь включать и выключать взаимодействие между кубитами (базовая двухкубитовая операция – controlled-NOT, управляемое-НЕ). Есть управляющий кубит и управляемый. Управляемый меняет свое состояние, только если управляющий находится в состоянии единицы. Эта базовая операция позволяет получить т.н. «квантовое перепутывание», т.е. два кубита в перепутанном (или зацепленном) состоянии. В таком случае вы можете, измерив состояние лишь одного кубита, сказать, в каком состоянии находится второй. Перепутанные состояния и являются основой для ускоренных квантовых вычислений. Чтобы их получить, мы кратковременно возбуждаем лазером одиночные атомы в узлах оптической решетки, включая и выключая взаимодействие между ними. Гранты РФФИ как раз и посвящены изучению взаимодействия ридберговских атомов. Научившись ими управлять, сможем делать квантовые операции. План на ближайшие три года – создание квантового регистра кубитов на основе оптической решетки холодных атомов. Требуется с помощью массива оптических дипольных ловушек захватывать в фокусы лазеров одиночные атомы, управлять ими, задавать состояние, выполняя в конечном итоге простейшие квантовые алгоритмы. В 2019 году мы запустили оптическую дипольную ловушку, куда захватывается один атом, теперь готовим систему, которая эту ловушку раздваивает, чтобы работать с двумя атомами и выйти в 2020-м на двухкубитовые операции.

Впрочем, мы не только догоняем – удалось выйти и на передний край фундаментальных исследований. Благодаря сотрудничеству с французскими коллегами – профессорами Пьером Пийе и Патриком Шене – мы стали изучать взаимодействия трех и более ридберговских атомов, а здесь может идти речь о трехкубитовых операциях, что заметно ускоряет квантовые вычисления. В 2015 году лаборатория Aime Cotton из университета Paris-Sud выполнила оригинальные эксперименты по наблюдению трехчастичных резонансов Ферстера для нескольких ридберговских атомов. Французские ученые обратились к нам с просьбой проверить их результаты, полученные на атомах цезия. Мы подтвердили этот эффект на рубидии, причем именно для малого числа атомов (французы работали на большом массиве). В 2019 году мы начали совместный проект, поддержанный РФФИ, итогом которого может стать проведение трехкубитовой операции Toffoli, применяемой в алгоритмах коррекции ошибок. Вместе с французскими коллегами мы теоретически разработали алгоритм проведения такой операции с помощью трехчастичных резонансов. Теперь надо проверить его экспериментально, что позволит приблизиться к основной цели – созданию российского квантового симулятора на ридберговских атомах.

Нестареющий кремний

Кремниевые технологии – вершина того, что разработано для микро- и наноэлектроники. Есть здесь и отечественный вклад: в 1988 году Государственная премия СССР была присуждена группе сотрудников из академических институтов, в числе которых был и собеседник «Поиска» член-корреспондент РАН Анатолий Двуреченский, за открытие явления импульсно ориентированной кристаллизации твердых тел («лазерный отжиг»). С тех пор «лазерный отжиг» широко применяется во всем мире, в частности, в производстве широкоформатных мониторов и телевизоров. Однако кремний еще может сказать свое слово и в квантовых технологиях:

– Когда я в 1968 году пришел на работу в Институт физики полупроводников, директор академик Анатолий Васильевич Ржанов предложил мне заняться кремнием. Признаться, я был несколько разочарован, считал, что на смену кремнию уже приходят более перспективные материалы. Но прошло более полувека, а кремний так и остался базой полупроводниковой электроники, – рассказывает руководитель проекта РФФИ по использованию в квантовой информатике наногетероструктур с квантовы ми точками А.Двуреченский. – Ключевой тренд в области фундаментальных исследованиях и технологиях современной микро- и наноэлектроники – интегрировать кремний с другими материалами, что позволило бы расширить функциональные характеристики новых базовых элементов схем и значительно увеличить тем самым производительность информационно-вычислительных и управляющих систем. Нобелевский приз в этой области, конечно, будет присужден за создание устройств квантовых вычислений, и ансамбли кубитов на полупроводниковых квантовых точках являются одним привлекательных объектов изучения

Квантовая точка – частица с характерными размерами во всех трех измерениях (меньше 100 нанометров), содержащая электроны проводимости. При таких размерах квантовая точка уподобляется по свойствам атому, ее так часто и называют – «искусственный атом». В ней, как и в атоме, имеется дискретный спектр энергетических состояний, формирование которого соответствует законам квантовой механики.

Из двух существующих в научном мире подходов к созданию таких точек – химический синтез (коллоидные квантовые точки) и молекулярно-лучевая эпитаксия – требованиям квантового компьютера лучше соответствуют эпитаксиальные технологии.

Эпитаксиальные квантовые точки формируются в два этапа: сначала – зарождение и последующий рост ансамбля самоорганизующихся нанокристаллов одного материала на подложке из другого при соблюдении определенных условий; затем – заращивание этих квантовых точек материалом подложки в условиях роста кристаллической структуры. В результате квантовые точки оказываются встроенными в кристаллическую матрицу подложки и находятся в поле упругих деформаций.

Мы работаем со структурами германий – кремний. Электронная структура квантовых точек германия в кремнии представляет собой электрон, локализованный в кремнии в квантовой яме на границе с германием, и дырку (в кантовой механике – квазичастица, носитель положительного заряда, равного заряду электрона), локализованную в германии. Такая электронная структура обеспечивает получение большого времени жизни спинового состояния кубитов. Кроме того, существуют технологии синтеза, с помощью которых это время можно заметно продлить.

При формировании квантовых точек эпитаксиальными технологиями случайный процесс их зарождения приводит к двум следствиям, ухудшающим характеристики ансамбля спиновых кубитов на квантовых точках: дисперсии (разбросу) квантовых точек по размерам и их неупорядоченному расположению в пространстве.

Для решения этих проблем нами были разработаны методы роста кремниевых гетероструктур с квантовыми точками из ионно-молекулярных пучков с необходимой однородностью по размерам и упорядоченным пространственным распределением. Ионный пучок обеспечивал управление местом зарождения нанокристаллов в процессе гетероэпитаксии. В результате дисперсия по размерам квантовых точек была снижена более чем на порядок и составляла 1-2%. Создание структурированной поверхности методами «наноимпринт» и электронной литографии в сочетании с ионным облучением позволило решить проблему пространственного упорядочения ансамбля квантовых точек, что обеспечило увеличение на порядок времени спиновой декогеренции (проще говоря, времени жизни квантового состояния кубита).

Мы предложили метод выполнения квантовых логических операций в системе с постоянным обменным взаимодействием. Существование туннельной связи между квантовыми точками дает возможность решить проблему с реализацией универсального набора логических операций. Наши теоретические исследования (совместно с иркутским Институтом динамики систем и теории управления СО РАН) показали, что, воздействуя на спин электрона с помощью микроволновых импульсов определенной длительности, можно провести двухкубитовые операции SWAP в системе из двух квантовых точек с различными g-факторами локализованных электронов. Различие в g-факторах используется для адресации кубитов. Мы рассчитали оптимальные параметры по величине обменного взаимодействия и различия g-факторов системы для выполнения двухкубитовых операций с минимальной погрешностью. Оказалось, что объектом, соответствующим оптимальным параметрам, является квантовая точка пирамидальной формы, на которой одновременно локализованы два электрона: один – вблизи вершины, другой – на ребре пирамиды.

Недавно в исследовательском центре в Юлихе (Германия) была создана решетка из нанокристаллов германия, встроенная в матрицу кремния. В результате совместной работы с профессором Детлевом Грютцмахером из этого центра мы экспериментально установили, что именно в таком объекте реализуются рассчитанные теоретически условия одновременной локализации одного электрона вблизи вершины пирамиды, другого – на ребре. Теперь необходимо разработать метод адресного обращения к квантовым точкам и функциональные элементы одноэлектроники (транзистор на квантовых точках) для измерения состояния каждого кубита. Транзистор на квантовых точках мы уже создали, предстоит встроить его в схему кубитов. Для адресного обращения к кубитам планируем применить подход легирования квантовых точек магнитными примесями. Решив эти задачи, мы вплотную подойдем к созданию симулятора твердотельного квантового компьютера на «искусственных атомах».

Ольга КОЛЕСОВА

Похожие новости

  • 11/02/2019

    О наиболее важных достижениях отечественных ученых за последние десятилетия

    ​8 февраля отмечается День российской науки. В связи с этим журнал «Слово и Дело» обратился к представителям Российской академии наук, чтобы выяснить, какие достижения отечественных ученых они считают наиболее важными для мировой общественности.
    454
  • 04/06/2018

    Одобрен проект по созданию в России квантового компьютера

    Научно-технический совет Фонда перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект Оптические системы квантовых вычислений. В период с 2018 по 2021 год в рамках этого проекта запланирована разработка демонстраторов 50-кубитных квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов и интегральных оптических схем.
    735
  • 30/04/2019

    В ИСЗФ СО РАН разработана система SIMuRG

    ​В рамках работы по гранту Российского научного фонда коллектив молодых ученых Института солнечно-земной физики СО РАН разработал систему SIMuRG, которая позволяет собирать, обрабатывать и производить машинный анализ больших объемов данных глобальных навигационных спутниковых систем для последующего исследования околоземного космического пространства.
    411
  • 10/05/2017

    Подведены итоги трех международных конкурсов РФФИ

    ​На сайте Российского фонда фундаментальных исследований опубликованы итоги трех международных конкурсов, проводимых РФФИ совместно с зарубежными партнерами: Итоги совместного конкурса РФФИ — Национальный научный фонд Ирана (конкурс Иран_а 2017 г.
    1654
  • 02/02/2018

    Алексей Шулунов: радиофотоника - одно из важнейших направлений электроники

    ​До второго десятилетия нынешнего века в промышленности планеты прошли и ныне проводятся три направления развитии - пара, электрона, атома. "В настоящее время в мире идет переход на четвертый уровень, основывающийся на технологиях фотона, - отметил известный руководитель отечественной оборонной промышленности, руководитель рабочей группы № 19 Научно-технического совета Военно-промышленной комиссии при правительстве РФ, академик МАИ Алексей Шулунов, - эти технологии используют свойства фотонов, частиц, не имеющих массы покоя и заряда, что позволяет преодолеть принципиальные физические ограничения "классической" электроники.
    2767
  • 07/09/2018

    На пороге квантовой революции

    ​Если ввести в Google запрос "квантовый компьютер", уже можно увидеть предложения о его продаже. В 2017 году канадская компания D-Wave объявила о продаже квантового компьютера за 15 миллионов долларов.
    655
  • 12/04/2019

    В Иркутске прошла научная сессия, посвященная 70-летию академической науки Восточной Сибири

    Об истории и основных достижениях академических учреждений Восточной Сибири рассказали на научной сессии 3 апреля в ИДСТУ СО РАН. В мероприятии приняли участие представители Республики Монголия, правительства Иркутской области, вузов города.
    676
  • 26/11/2018

    Зачем в России создали центр квантовых технологий?

    ​Первые квантовые компьютеры могут появиться на Земле в ближайшие годы, но какую роль в их "рождении" сыграет Россия? Сергей Кулик, научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ, рассказал, как российские физики будут развивать подобные технологии, и создавать квантовые вычислители в ближайшие годы.
    1629
  • 27/02/2019

    На чем должна базироваться персонализированная медицина

    Истинная персонализированная медицина должна базироваться на виртуальном пациенте - цифровом двойнике реального. Этот виртуальный пациент в идеале формируется и накапливается в течение всей жизни реального - он результат его взаимодействия с системой здравоохранения.
    406
  • 16/04/2019

    Восемь ответов на частые вопросы о СНЦ ВВОД

    Зачем нужен Сибирский национальный центр высокопроизводительных вычислений, обработки и хранения данных — СНЦ ВВОД? Откуда придут деньги на его создание? Как этот проект связан с синхротроном СКИФ? С другими проектами «Академгородка 2.
    414