От атомных часов к квантовому компьютеру

Нейтральные атомы тулия — перспективная платформа для квантовых вычислений. Ученые Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и Российского квантового центра впервые предложили этот химический элемент для создания квантовых компьютеров с долговременной памятью

Специалисты исследовали свойства тулия в качестве кубитов и показали, что их квантовым состоянием можно эффективно управлять как с помощью микроволнового излучения, так и посредством лазеров. Научная статья опубликована в топовом журнале PRX Quantum.

«Атомы тулия привлекательны тем, что позволяют на одной платформе реализовать протоколы, которые характерны как для щелочных (например, рубидий и цезий), так и для щелочноземельных (стронций, иттербий и другие) элементов. Подобно первым, кубиты на основе тулия демонстрируют надежность и точность квантовых операций внутри сверхтонкой структуры. Подобно вторым — открывают возможности для управления энергетическими состояниями атомов с помощью оптического излучения. Это, в свою очередь, позволяет реализовать широкий спектр квантовых алгоритмов», — рассказал один из разработчиков, научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАНа Денис Мишин.

Специалистов также привлекает продолжительное время когерентности кубитных уровней в тулии, то есть возможности долго сохранять свое квантовое состояние. Это может существенно повысить качество квантовых операций, а также позволяет реализовать протоколы промежуточного хранения квантовой информации — как в оперативной памяти обычных компьютеров.

Много путей к одной цели

Тулий — редкоземельный элемент с богатой энергетической структурой. По словам разработчиков, преимущества этих атомов как основы для квантовых вычислений связаны с возможностью кодировать кубиты в сверхтонких подуровнях основного состояния атома. Это два близких компонента его энергетической структуры, которые отличаются тем, как ориентированы магнитные моменты ядра и электронов.

Магнитные моменты ядра и электронов — это их внутренние магнитные свойства, возникающие главным образом из спина и орбитального движения, взаимодействие которых определяет тонкую и сверхтонкую структуру атомных спектров. При этом сверхтонкая структура тулия представляет собой дублеты — пары уровней, которые различаются взаимной ориентацией магнитных моментов ядра и электронов: либо «в одну сторону», либо «в разные».

Причем разница в энергии между ними соответствует очень узкому диапазону — микроволновой частоте в 1497 МГц. Воздействуя на этой частоте, можно «переключать» кубит, то есть управлять его квантовым состоянием.

При этом подуровни почти не реагируют на колебания внешнего магнитного поля.В результате информация, записанная в таком кубите, может храниться десятки секунд, что, по словам исследователей, для квантового мира считается почти вечностью.

«Главным достижением работы стало удержание стабильного квантового состояния до 55 секунд. Это одно из лучших значений, когда-либо продемонстрированных в мире. Кроме того, мы предложили метод “переключения” кубитов между основным состоянием и метастабильным (с временем жизни 112 миллисекунд). Это позволяет защитить квантовую информацию от помех и реализовать ряд протоколов для дополнительного повышения точности квантовых вычислений», — говорит соавтор исследования, директор ФИАН академик Николай Колачевский.

 «Главным достижением работы стало удержание стабильного квантового состояния до 55 секунд. Это одно из лучших значений, когда-либо продемонстрированных в мире»

Как уже писал «Стимул», ученые ФИАН также разработали 50-кубитный квантовый компьютер на основе другой платформы. Он построен по технологии холодных ионов и по некоторым параметрам превосходит мировые аналоги. Денис Мишин рассказал нам, почему в институте работают над созданием квантовых вычислителей с разными принципами работы.

По его словам, до сих пор нет единого мнения, какая из платформ обеспечит наилучшую работу универсального квантового компьютера и удастся ли обойтись только одной. Использование нейтральных атомов потенциально позволяет намного легче увеличивать количество физических кубитов, в то время как ионные платформы обеспечивают лучшую связность для проведения многокубитных операций. Сверхпроводниковые платформы демонстрируют высокий потенциал благодаря технологичности производства на основе хорошо отработанных процессов в сфере микро- и наноэлектроники и возможности управлять характеристиками квантовой системы на этапе изготовления, хотя это, как отмечают специалисты, одновременно является и сложностью.

«Ряд групп занимается исследованиями, посвященными объединению квантовых “сопроцессоров”, построенных на различных принципах, они стараются использовать сильные стороны каждой из систем или, в зависимости от задачи, доверить ее решение наиболее подходящей платформе. Однако на текущий момент сфера квантовых вычислений все еще находится в фазе активных исследований и поиска оптимального варианта практического исполнения. Многие исследователи также считают, что для реального прорыва в области практических квантовых вычислений может потребоваться принципиально новая платформа, аналогичная переходу от ламповых компьютеров к полупроводниковой технологии. Таким образом, на нынешнем этапе параллельное развитие различных подходов практически необходимо для определения наиболее перспективного пути создания полноценного квантового компьютера», — отмечает исследователь.

В основе — сверхточные часы

Квантовые эксперименты с тулием проводили на установке, которую изначально создали для разработки компактных сверхточных оптических часов на основе атомов этого элемента. А изначально ученые обратили внимание на тулий более 40 лет назад.

В 1983 году аномально низкий столкновительный сдвиг перехода на длине волны 1,14 мкм в атомах тулия обнаружил Евгений Александров, крупный ученый в области квантовой электроники, физической оптики, лазерной физики, магнитометрии и атомной спектроскопии. Потенциально это свидетельствовало о перспективности его использования для создания оптических часов, и в 2007 году в ФИАНе начали соответствующие исследования атомов тулия.

 Многие исследователи считают, что для реального прорыва в области практических квантовых вычислений может потребоваться принципиально новая платформа, аналогичная переходу от ламповых компьютеров к полупроводниковой технологии

Благодаря богатой энергетической структуре тулий имеет широкий спектр переходов с различными характеристиками, которые можно использовать для решения тех или иных задач. Спектр переходов атома — это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом в результате переходов между энергетическими уровнями. Каждая спектральная линия соответствует переходу между двумя электронными уровнями энергии атома и характеризуется частотой поглощаемого или испускаемого электромагнитного излучения.

Широкие (естественная ширина — порядка нескольких мегагерц) оптические переходы могут быть использованы для предварительного захвата и лазерного охлаждения атомов, более узкие (шириной единицы-сотни килогерц) позволяют достигать крайне низких температур (менее 1 мкК), а самые узкие (порядка 1 Гц и менее) могут быть использованы для прецизионного контроля квантового состояния атома и рассматриваться в роли часовыхпереходов, частоты которых используются для наиболее прецизионных измерений. В атомных часах время измеряется путем подсчета периодов колебания такого «часового» излучения.

Для щелочных элементов, например, спектр доступных переходов существенно у́же, что требует использования более сложной техники для реализации глубокого охлаждения и ограничивает метрологические применения областью микроволновых переходов. Комбинирование радиочастотных, микроволновых и оптических переходов с различными характеристиками позволяет реализовать широкий спектр операций, что делает тулий интересным для различных сфер квантовых технологий.

 Квантовые эксперименты с тулием проводили на установке, которую изначально создали для разработки компактных сверхточных оптических часов на основе атомов этого элемента

Надо отметить, что, несмотря на ряд преимуществ, при работе с тулием возникают определенные сложности. По словам Дениса Мишина, в основном они обусловлены взаимодействием с магнитным полем: из-за эффекта Зеемана (явление, при котором спектральные линии атомов или молекул расщепляются на несколько составляющих в магнитном поле) из девяти магнитных подуровней основного состояния для реализации оптических часов можно использовать только один. Однако в ФИАНе разработали ряд методов, позволяющих и решать проблему подготовки атомов в необходимом состоянии и элегантно компенсировать квадратичный эффект Зеемана.

Следующий шаг — прецизионный анализ взаимодействия атомов с оптической решеткой, использующейся для их удержания, и сейчас работа сосредоточена именно в этом направлении.

В ФИАНе уже собрана установка, которую потенциально можно перемещать (пока только внутри лаборатории), и на ней планируется провести эксперимент по демонстрации чувствительности к эффектам общей теории относительности (зависимость скорости хода времени от гравитационного потенциала). В дальнейшем такие «транспортируемые» установки могут использоваться и за пределами лаборатории, что дополнительно расширит спектр применения оптических атомных часов.