Лаборатория ИКС. Как устроена лаборатория искусственных квантовых систем на Физтехе

Лаборатория существует на Физтехе с 2014 года, когда ее возглавил и построил с нуля профессор Университета Лондона и выпускник МФТИ Олег Астафьев. Именно здесь был сделан, а затем протестирован в криостате Российского квантового центра первый российский сверхпроводниковый кубит на чипе. Сегодня в лаборатории трудится около 30 сотрудников — президентские стипендиаты, постдоки, победители престижных конкурсов. Сейчас во всем мире идет гонка за многокубитные схемы, поэтому на Физтехе стоит задача: научиться их контролировать, то есть заставить кубиты создавать запутанность. Чем же занимается загадочная лаборатория X?

Квантовая оптика на искусственных атомах

Одно из самых ярких направлений лаборатории — сверхпроводящие кубиты, ячейки памяти для состояний «ноль», «единица» или «суперпозиция» в создаваемом вычислительном устройстве. По словам Ивана Храпача, старшего научного сотрудника лаборатории искусственных квантовых систем, чтобы экспериментально моделировать динамику сложных квантовооптических систем и иметь возможность считывать их состояние, нужен какой-то инструмент: «Когда мы занимаемся технологией квантового компьютера на сверхпроводниках, у нас заведомо есть готовая платформа для квантовой оптики. Это микроволновые фотоны и среда, через которую эти фотоны могут взаимодействовать, — сверхпроводящие кубиты. Именно использование сверхпроводниковых кубитов дает преимущество перед обычной квантовой оптикой на фотонах видимого или инфракрасного диапазона. Физические свойства (или, например, взаимное расположение) искусственных атомов на основе сверхпроводящих кубитов можно рассчитать заранее, еще на этапе проектирования системы. Благодаря этой способности можно сделать так, чтобы взаимодействие микроволнового излучения с атомами было намного сильнее, чем взаимодействие в естественных атомах, поэтому мы можем получить новые режимы, которые нельзя увидеть в обычной квантовой оптике».

Из сверхпроводящих искусственных атомов можно собирать метаматериалы и сложные квантовые системы: например, квантовые метаматериалы или системы, моделирующие динамику в спиновых цепочках или массивах. Похожими вещами и занимаются исследователи, когда строят многокубитные системы: создают искусственную среду, которой раньше не существовало, и на ней наблюдают новое явление. Этим же занимается и другой выпускник МФТИ — Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра.

Кубиты на новых принципах

Сегодня многие научные группы создают прототипы квантовых компьютеров на сверхпроводящих цепях с контактами Джозефсона. В этих цепях есть емкости и джозефсоновский контакт, который играет роль нелинейного элемента, или нелинейной индуктивности. Такая нелинейная кинетическая индуктивность может достигать огромных значений по сравнению с привычной нам геометрической индуктивностью (той самой, что обычно рисуют на схемах в виде катушки). В лаборатории искусственных квантовых систем работают над тем, чтобы достичь рекордных значений кинетической индуктивности, сохраняя компактность использующих ее устройств: такая технология позволит, например, создать кубиты, топологически защищенные от внешних шумов.

Квантовая акустика

Догадка о том, что механические колебания можно изучать в квантовом режиме и создавать условия, в которых они возбуждаются на уровне минимальной энергии, то есть кванта, — очень нетривиальная вещь. Сейчас в лаборатории готовят публикацию на эту тему: только недавно удалось пронаблюдать взаимодействие фонона — кванта возбуждения механических колебаний — со сверхпроводящим кубитом. Речь идет не просто о поглощении, а о когерентном обмене, когда фонон испускается кубитом в акустический резонатор и поглощается кубитом обратно.

Сейчас в лаборатории для экспериментов со сверхпроводниковыми кубитами отведен один криостат. Чтобы каждый день ставить новые эксперименты и вести вычисления, нужен и человеческий ресурс, и много оборудования. Конечно, в одиночку конкурировать с такими компаниями, как Google, у которого десяток криостатов, очень сложно. Поэтому в июле 2016 года Министерство образования и науки, Росатом и ФПИ запустили проект под названием «Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов». В рамках проекта был сформирован консорциум в который, помимо лаборатории ИКС, вошли лаборатории МИСиС, РКЦ, ИФТТ РАН, МГТУ им. Баумана, ВНИИА и НГТУ. А в мае 2015 года группа лаборатории стала первой в России, сумев изготовить и, совместно с РКЦ и ИФТТ, измерить сверхпроводящий кубит. За это достижение руководитель лаборатории Олег Астафьев совместно с Валерием Рязановым и Алексеем Устиновым удостоились премии «Сделано в России».

Также студенты и сотрудники лаборатории используют технологическую базу японского института физико-химических исследований RIKEN и лаборатории Олега Астафьева в Англии. Опыт и знания, наработанные в Японии и Англии, они приносят на Физтех. Однако лаборатория двигается в сторону создания полной технологической базы здесь, в России. «Сейчас у нас в лаборатории больше возможностей, чем в Великобритании: техническое оснащение лучше; хорошо обстоят дела со студентами — их больше, фундаментальное образование намного лучше, чем там. Если давать возможность студентам работать на таком замечательном оборудовании и брать над ними шефство, можно получить отличный результат. Думаю, мы готовы к созданию полной технологической базы для квантовых исследований, и, конечно, мы нацелены на получение основных результатов на Физтехе», — рассказывает Иван Храпач.

Источник: m.vk.com

Комментарии: