Прорыв в квантовых вычислениях: в СПбГУ представили новый микрорезонатор

Ученые лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ вместе с коллегами из Научного парка СПбГУ представили микрорезонаторы на основе галлия и арсенида алюминия. Микрорезонаторами называют устройства, которые позволяют заключать свет в малом пространстве. В 1992 году в ходе исследования в таком микрорезонаторе был впервые открыт так называемый жидкий свет — особое состояние света, в котором проявляются как фотон (квант света), так и другие частицы, например, атом водорода — в данном случае они называются экситонами. Получаются гибридные частицы, обладающие всеми свойствами света, но при этом способные еще и цепляться друг за друга. Такой квантовый гибрид называется экситонным поляритоном. Именно для наблюдения за этими гибридными состояниями ученые СПбГУ создали микрорезонатор, который показал рекордную эффективность.

Для наблюдения и исследования состояния жидкого света нужно, чтобы фотоны как можно дольше оставались в структуре микрорезонатора – об этом «Научной России» рассказал Алексей Кавокин, доктор физико-математических наук, руководитель группы «Квантовая поляритоника» Российского Квантового Центра и Лаборатории Оптики спина имени Н.И. Уральцева СПбГУ.

«Надо делать структуры, в которых свет ходит между двумя «зеркалами». В обычных зеркалах, которые можно купить в магазине, свет ходит туда-сюда максимум десяток раз. А в наших резонаторах это происходит больше 50 тыс. раз — в среднем 54 тыс. раз в рекордной структуре. Такие структуры сделать довольно сложно. Это искусственно выращенные многослойные кристаллические структуры, в них несколько десятков тонких слоев (меньше длины волны света) из разных полупроводниковых материалов, и отклонение в толщине слоя даже на несколько нанометров уже губит качество структуры», — рассказал Алексей Кавокин.

Ученый отметил, что такой уровень эффективности на данный момент является рекордным для Европы — именно по количеству переходов жидкого света.

Структура «выращивается» методом молекулярно-лучевой эпитаксии. То есть в вакуумной камере на заранее приготовленном кристалле «высаживается» атом за атомом. Речь идет о потоках разных атомов (например, галлия, мышьяка и алюминия), и за ними нужно непрерывно следить, чтобы они росли одним монотонным слоем над другим — пока не вырастет вся структура из нескольких сотен слоев. Как правило, это занимает более суток.

Создание такой структуры может дать мощный толчок к разработке квантовых компьютеров нового типа. Дело в том, что жидкий свет прекрасно подходит, чтобы делать из него кубиты — транзисторы для квантового компьютера.

«Для кубита нужно два энергетических уровня, которые когерентно заселяются — то есть частицы находятся одновременно и на одном, и на другом уровне. Мы доказали, что жидкий свет ведет себя именно как такая частица. В каждой капле света могут быть тысячи частиц, но они все находятся в одном квантовом состоянии. Поэтому они подходят для изготовления кубитов: это уже не одна частица, а их очень много. Даже если с одной частицей что-то случится, конденсат не изменится, его основные свойства сохранятся. И состояние суперпозиции, нужное для кубитов, сохранится», — рассказал Алексей Кавокин.

По словам ученого, уже ведется разработка квантовой платформы на основе «жидкого света». В рамках этой работы уже удалось сделать первые поляритонные кубиты. Более того, получилось создать и маленький прототип квантового процессора с 25 кубитами — при том, что обычно транзистор бывают однокубитные или двухкубитные. Для таких устройств как раз нужны хорошие микрорезонаторы.

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источник: scientificrussia.ru

Комментарии: