Детектирование одиночных микроволновых фотонов антенной решеткой на основе бистабильных джозефсоновских сенсорных элементов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-72-00158

НазваниеДетектирование одиночных микроволновых фотонов антенной решеткой на основе бистабильных джозефсоновских сенсорных элементов

Руководитель Бастракова Марина Валерьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" , Нижегородская обл

Конкурс №29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые слова кубит, декогерентность, квантовая электродинамика джозефсоновских цепей, управление многокубитными сетями, одиночные микроволновые фотоны, квантовые неразрушающие измерения

Код ГРНТИ29.19.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сверхпроводниковая квантовая электроника в последние годы лидирует в качестве устройств по приему и обработке микроволновых сигналов. В силу того, что управляющие поля имеют частоты всего лишь несколько гигагерц, важным является разработка и создание экспериментальной техники по контролированию и управлению однофотонными импульсами микроволнового поля. Кроме того, разрабатываются высокочувствительные и стабильные средства измерений на основе применения микроволновых однофотонных полей, в том числе для проведения неразрушающих измерений и томографии массивов квантовых ячеек памяти – кубитов, что является перспективным, актуальным и современным направлением в квантовых информационных технологиях. Проект посвящен разработке теоретической модели и численному моделированию распределенной решетки бистабильных джозефсоновских сенсорных элементов для высокочувствительного и эффективного детектирования одиночных микроволновых фотонов с минимальными потерями информации. Активным элементом в системе выступает массив (при численном моделировании до 8 ячеек) бистабильных сенсоров, при этом каждая ячейка массива представляет собой сверхпроводниковый "трансмон"-кубит индуктивно связанный с бифуркационным джозефсоновским осциллятором. Взаимодействие отдельных ячеек сенсорного массива осуществляется только за счёт связи с общей приемной антенной, по которой распространяется микроволновой однофотонный импульс. В ходе реализации проекта будут разработаны аналитические и численные модели для исследования процесса взаимодействия микроволнового фотона с кубитом и проведения неразрушающего измерения нелинейным бифуркационным осциллятором в двух режимах работы: классическом и квантовом (при большом, но конечном числе возбуждений –«мезоскопическом»). На основе анализа теоретической модели и результатов численного моделирования будут найдены оптимальные параметры измерительных бифуркационных осцилляторов с учётом минимального эффекта обратного действия (back-action) на кубиты в условиях взаимодействия с окружением (при учёте декогеренции). Будет изучен процесс относительного влияния друг на друга бифуркационных осцилляторов с близкими резонансными кривыми, что является важной и актуальной научной проблемой, поставленной в недавней экспериментальной работе по данной тематике. В проекте будет проведен анализ взаимовлияния измерительных бифуркационных осцилляторов с дальнейшей выработкой рекомендаций по разбросу частот, что позволит рассматривать больший набор ячеек в сенсорных массивах (до 8 ячеек), чем в существующих экспериментах на момент подачи заявки на проект. Уникальностью подхода по численному моделированию является использованием суперкомпьютерных методов распараллеливания (MPI, CUDA) для изучения принципов детектирования состояний сверхпроводниковых "трансмон"-кубитов по средствам микроволновых фотонов. Используемый для параллельных расчетов квантовый метод Монте-Карло позволяет рассмотреть системы с огромным числом уровней, моделировать из первых принципов квантовые измерения, рассматривать различные режимы работы измерительного бифуркационного осциллятора (классический и мезоскопических в зависимости от числа фотонов), следить за набором статистических данных, а также моделировать релаксационные эффекты, возникающие на стыке описания квантового и классического поведения, включая неразрушающие измерения и квантовую нелокальность. Благодаря этому будет численно исследован принцип действия каждого из измерительного устройства на исследуемую квантовую систему (кубит) и будет изучено какая из схем измерений наиболее лучшим образом подходит для оптимального проведения томографии кубитов. В ходе реализации проекта будет опубликовано не менее 4 статей в ведущих высокорейтинговых отечественных и зарубежных журналах, индексируемых в базах данных «Web of Science» и «Scopus».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бастракова М.В., Клёнов Н.В., Сатанин А.М. Simulation of the entangled states generation of two qubits by using of unipolar picoseconds pulses International Conference on Computer Simulation in Physics and beyond September 24-27, 2018, Moscow, Russia (год публикации - 2018)

2. Бастракова М.В., Клёнов Н.В., Сатанин А.М. Dynamics of qubits in the field of unipolar impulses: Magnus propagator, generalized "area theorem" and motion on groups International Conference on Computer Simulation in Physics and beyond September 24-27, 2018, Moscow, Russia (год публикации - 2018)

3. Денисенко М.В., Клёнов Н.В., Сатанин А.М. Динамика кубитов в поле унитарных импульсов: пропагатор Магнуса, "Обобщенное правило площадей" и движение на группах ЖЭТФ, том 155, вып. 2, стр. 258–276 (год публикации - 2018)
10.1134/S004445101902007X

4. М.В. Бастракова, Н.В. Клёнов, А.М. Сатанин A new method of simulations for the propagators of multi-qubit registers Journal of Physics: Conference Series, Vol.1163, p. 012076 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1163/1/012076

5. Бастракова М.В., Клёнов Н.В., Сатанин А.М. Quasi-energies of coupled qubits: Magnus-Floquet states and theirprobing by weak signal Journal of Physics: Conference Series, Vol,1163, P. 012075 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1163/1/012075

6. Бастракова М.В., Пашин Д.С., Сатанин А.М. Non-destructive measurement of superconducting qubit states by Josephson bifurcation oscillator The Book of Abstracts 9th International Conference "Quantum 2019" From Foundations of Quantum Mechanics to Quantum Information and Quantum Metrology & Sensing, Turin, Italy, May 26th to June 1st, 2019,, p.11 (год публикации - 2019)

7. Пашин Д. С., Сатанин А. М., Ким Ч. С Квантовая диссипативная динамика джозефсоновского осциллятора в условиях резонансного возбуждения Сборник тезисов XVIII научной школы «Нелинейные волны – 2018», Издательство ИФМ РАН, Нижний Новгород, 2018г, стр.134-135 (год публикации - 2018)

8. Бастракова М.В., Кленов Н.В., Сатанин А.М. Одно- и двухкубитные гейты: техника Раби и одиночные униполярные импульсы Физика твердого тела, том 61, вып. 9, стр.1565 (год публикации - 2019)
10.21883/FTT.2019.09.48090.01N

9. Пашин Д.С., Сатанин А.М. и Ким Ч. С. Classical and quantum dissipative dynamics in Josephson junctions: An Arnold problem, bifurcation, and capture into resonance PHYSICAL REVIEW E, Vol. 99, P. 062223 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevE.99.062223

10. Бастракова М.В., Пашин Д.С. Bistable Josephson cell as a single microwave photon sensor International Journal of Quantum Information, Vol. 17, No. 7, P. 1941014 (2019) (год публикации - 2019)
10.1142/S0219749919410144

Публикации