В отличие от классической вычислительной системы, каждый элемент (бит) которой представляет собой либо 0, либо 1, особенность квантового вычислителя в том, что цепочки атомов — играющие роль квантовых битов (кубитов) — находятся в состоянии квантовой суперпозиции, т.е. фактически одновременно являются и 0, и 1. Каждый атом рассматривается как отдельный элемент квантового регистра информации, т.е. некий материальный носитель, на который можно записать, считать и как-то преобразовать информацию. Но развитие квантовых технологий и создание квантового компьютера связаны с определенными сложностями. Необходимо найти и создать физические условия, в которых кубиты в течение достаточно длительного времени смогут сохранять состояние квантовой суперпозиции, т.е. увеличить время жизни квантового состояния (когерентности). Именно это позволит управляемым образом манипулировать отдельными элементами квантового регистра и проводить с его помощью квантовые вычисления. Для работы полноценного квантового компьютера необходимо обеспечить одновременное функционирование и нахождение в долгоживущем состоянии квантовой суперпозиции как можно большего числа кубитов.
Научная группа Санкт-Петербургского политехнического университета имеет богатый (более чем десятилетний) опыт теоретических разработок в области физики квантовой информации. В течение этого времени были разработаны уникальные методики расчётов и развито сотрудничество с рядом экспериментальных лабораторий России, США, Франции и Германии, сделавшее возможным глубокую интеграцию теоретических результатов в проводимые эксперименты. В рамках последних проведённых исследований учёными было проведено математическое моделирование, которое на полностью квантовом уровне описывает динамику отдельных атомов – элементов квантового регистра, создаваемого на экспериментальной базе в лаборатории Центра квантовых технологий МГУ (ЦКТ МГУ). Результаты проведённых расчётов с высокой точностью подтвердились экспериментальными данными ЦКТ.
В ходе подготовки к эксперименту атомы химического элемента рубидия-87 при помощи магнитно-оптической ловушки охлаждались до низких температур (десятки микрокельвин). Далее при помощи методики оптического пинцета из магнитно-оптической ловушки выхватывались одиночные атомы. Ученые собирали их в упорядоченные структуры – одно-, двух- и трёхмерные массивы атомов. Эти структуры рассматриваются в качестве материальной основы для квантовых регистров и в будущем – для квантового компьютера.
«В связи с тем, что температура – один из главных факторов, способных снизить время жизни кубита, в нашей теории мы рассматривали поведение атома в оптическом пинцете при различных температурах – как сверхнизких (близких к абсолютному нулю), так и при более реалистичных показателях (десятки микрокельвин), с которыми на данный момент имеют дело экспериментаторы. Но развитие квантовых технологий, скорее всего, потребует дальнейшего развития технологий охлаждения атомов и приближения к сверхнизким температурам, так что фактически мы в нашей теории, кроме описания текущего эксперимента, показываем будущую перспективу развития квантовых технологий. Охлаждение до сверхнизких температур позволит увеличить время жизни приготовляемых в системе атомов состояний квантовой суперпозиции и квантовой перепутанности, что крайне необходимо для создания квантового вычислителя. Кроме того, мы надеемся, что в ближайшей временной перспективе наши математические модели можно будет масштабировать на большее количество кубитов. Главное достоинство нашей теории в том, что она позволяет проводить высокоточное и не требующее использования подгоночных параметров моделирование атомных систем, упреждая фактическую реализацию планируемых дорогостоящих экспериментов и давая для них ориентир», – отмечает Леонид Герасимов, старший научный сотрудник лаборатории «Квантовая оптика и квантовая информатика» СПбПУ.
В своей работе учёные стремились разработать математическую модель, учитывающую как можно больше физически значимых эффектов и максимально точно описывающую их. Так, например, существенным является то, что информация на кубит записывается при помощи микроволнового импульса. Этот импульс должен отвечать определённым требованиям по длительности, несущей частоте и т.д., удовлетворить которым на практике не всегда просто. Кроме того, вследствие остаточной температуры атом продолжает двигаться внутри оптического пинцета. Подобные факторы ведут к разрушению квантового состояния атомов, т.е. фактически кубит постепенно «забывает» записанную на него информацию. В связи с этим одной из основных задач, решаемых экспертами, являлся поиск оптимальных параметров эксперимента, которые позволили бы сохранить квантовое состояние атомов в течение как можно большего времени.
В настоящее время исследователи занимаются развитием как теории, так и эксперимента в направлении масштабирования квантовых регистров на большее количество кубитов, что требует существенной оптимизации преобразований, выполняемых над атомами: как по отдельности, так и над парами кубитов. Кроме того, в дальнейшем исследователями планируется развивать технику охлаждения атомов до более низких температур.
Проект поддержан грантом Российского научного фонда №18-72-10039.
