Квантовое завтра. Каким быть компьютеру будущего

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

Квантовое завтра. Каким быть компьютеру будущего_2.jpg

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 серьёзную задачу: исследовал динамику фазовых переходов между различными состояниями материи, вызванных квантовыми флуктуациями. В принципе, от ещё не созданного квантового компьютера учёные 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 (РФФИ) 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 произошёл 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. Учёным 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 решётках – 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 счётчиков 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 своё 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 решётки, 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 решётки 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 трёх 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 учёные обратились к нам с просьбой проверить их результаты, полученные на атомах цезия. Мы подтвердили этот эффект на рубидии, причём 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 твёрдых тел («лазерный отжиг»). С тех пор «лазерный отжиг» широко применяется во всем мире, в частности, в производстве широкоформатных мониторов и телевизоров. Однако кремний ещё может сказать своё слово и в квантовых технологиях:

— Когда я в 1968 году пришёл 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 присуждён 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 трёх измерениях (меньше 100 нанометров), содержащая электроны проводимости. При таких размерах квантовая точка уподобляется по свойствам атому, её 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 даёт 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 определённой 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 решётка 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 подойдём к созданию симулятора твердотельного квантового компьютера на «искусственных атомах».

Ольга Колесова
Источник: Поиск

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

Помог ли вам материал?
0    0