Квантовый компьютер — с помощью резонансов Фёрстера

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. Последние результаты работы в этой области были представлены доцентом НГУ, старшим научным сотрудником Междисциплинарного квантового центра (МКЦ) НГУ и ИФП СО РАН Ильёй Бетеровым на крупнейшей в СНГ конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT 2016.

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

	Сверхпроводники	Холодные ионы	Азотные вакансии в алмазах	Нейтральные атомы
Масштабирование системы	Возможно	Существенные ограничения	Возможно, но имеются трудности	Возможно
Успешная инициализация системы	Методы разработаны	Методы разработаны	Методы разработаны	Методы разработаны
Время жизни квантовых состояний	Короткое	Очень длинное	Короткое	Длинное
Точность выполнения двухкубитовых операций	Высокая	Очень высокая	Высокая	Средняя, в перспективе высокая
Умение измерять конечное состояние квантового регистра	Методы разработаны	Методы разработаны	Методы разработаны	Методы разработаны
Особенности	Твердотельная реализация при температуре жидкого гелия	Эксперимент в вакуумной камере, предельная точность	Твердотельная реализация при комнатной температуре	Практически 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