О развитии квантовых технологий в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова
К 60-летию научной школы нелинейной оптики
в Московском университете и 55-летию открытия
спонтанного параметрического рассеяния света
В этой заметке сообщается о некоторых аспектах квантовых технологий на физическом факультете МГУ — от базовых экспериментов квантовой оптики до устройств квантовой защищенной связи и квантовых компьютеров/симуляторов. На фоне противоречивых, а порой и фантастических прогнозов развития этой высокотехнологичной отрасли, дан краткий реалистичный обзор состояния дел в тесной привязке к фундаментальным и прикладным разработкам, ведущимися на физфаке.
Статья состоит из трех частей. В первой рассказывалось о структуре Центра квантовых технологий физического факультета, Консорциуме Центра, а также об основных направлениях его деятельности. Во второй собраны материалы по подготовке кадров по квантовым технологиям на физфаке. Первые две части опубликованы в предыдущем номере «Советского физика». В третьей, заключительной, — об основных научных проектах Центра.
3. Основные научные проекты центра квантовых технологий физфака
Говоря о научной составляющей деятельности Центра квантовых технологий МГУ, отметим ряд амбициозных проектов:
В области квантовых вычислений: разработка квантовых вычислительных устройств, которые к 2024 году должны продемонстрировать т.н. «квантовое превосходство», т.е. обеспечить решение нескольких вычислительных задач эффективнее, чем это делают самые мощные классические суперкомпьютеры.
В области квантовых коммуникаций: вывод на рынок принципиально нового поколения систем связи, с гарантированной защитой от прослушивания.
В области квантовых сенсоров: обеспечение устройств навигации, геологоразведки, а также медицинской аппаратуры сверхчувствительными датчиками, способными регистрировать сигналы, недоступные для существующих классических сенсоров.
В области квантовой оптики: исследование оптических полей в квантовых и квазиклассических состояниях для прецизионных методов характеризации объектов.
Еще раз подчеркнем, что решение этих задач возможно при тесном контакте научных и производственных организаций, входящих в консорциум. Именно эта связка должна обеспечить бесшовное движение разработок, ведущихся в ЦКТ по цепочке «фундаментальная НИР» — «прикладная НИР» — «ОКР» — «технология» — «продукт».
Приведем ключевые проекты ЦКТ МГУ по каждому направлению.
Квантовые вычисления
Разработки в области квантовых вычислений подчинены главной цели — построения квантового вычислительного устройства либо компьютера, либо симулятора.
Квантовый компьютер1 — это физическое устройство, способное решать определенный круг математических задач и выполняющее логические операции над квантовыми состояниями путем унитарных преобразований (т.е. сохраняющих энергию), не нарушающих квантовые суперпозиции в процессе вычислений.
Квантовый симулятор — это устройство, моделирующее сложный физический процесс, динамика которого описывается гамильтонианом более или менее воспроизводимым в другой доступной для экспериментального контроля и манипуляций физической системе.
В настоящее время известно порядка десяти физических систем, претендующих на модельные с точки зрения построения на их основе квантовых вычислительных устройств. Адекватность таких систем-кандидатов регламентируется критериями, известными как «критерии Ди Винченцо», которые сводятся к следующим положениям:
• возможность масштабирования;
• надежная инициализация;
• большие времена декогеренции (релаксации) по сравнению с временем срабатывания отдельных логических элементов (гейтов);
• возможность выполнения логических преобразований;
• передача и считывание состояний кубитов.
Здесь имеет смысл пояснить, что под кубитом понимается мера квантовой информации, по аналогии с битом — в классической информатике. Кубит может быть реализован на различных физических двухуровневых системах, таких как поляризация фотона, состояние спина электрона, невырожденных энергетических состояниях атома или иона, уровнях энергии в (нелинейном) сверхпроводящем контуре и др.
Отметим, что степень развитости разработок в области создания физических систем для реализации алгоритмов квантовых вычислений в России различается. В стране в настоящий момент в данной области развиваются четыре направления, два из которых разрабатываются в МГУ:
• холодные атомы в микродипольных ловушках (физфак МГУ),
• фотоны в линейно-оптических системах (физфак МГУ),
• сверхпроводниковые системы (МИСиС, ИФТТ, МФТИ),
• холодные ионы (ФИАН).
Также следует упомянуть о направлении, развиваемом на физфаке МГУ и ИФМ РАН — квантовые вычисления на основе примесных полупроводниковых структур.
В целом отечественный уровень разработок на сегодняшний день довольно сильно уступает общемировому. Тем не менее, наиболее целесообразным для развития отрасли видится путь одновременной поддержки каждого из четырех направлений, поскольку в данный момент нет объективных предпосылок для выделения одного конкретного лидирующего направления.
Перспективной стратегией представляется разработка квантовых вычислительных устройств среднего масштаба (до 100 кубитов) на упомянутых четырех платформах. На этих устройствах могут быть отработаны системное ПО и определены перспективные прикладные алгоритмы. Одновременно с этим следует развивать интегрально-оптические технологии, с особым акцентом на интеграцию источников одиночных фотонов и многофотонных состояний на оптические чипы.
В ближнесрочной (до 5 лет) перспективе наиболее быстрого прогресса можно ожидать в системах на основе одиночных нейтральных атомов. Это идеальные платформы для реализации вариационных квантовых алгоритмов и симуляции квантовых систем среднего масштабав рамках парадигмы NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) — квантовых вычислений без использования кодов коррекции ошибок. Однако масштабирование этих систем до уровня десятка тысяч кубитов представляется технологически сложным. В долгосрочной перспективе, оптические квантовые вычисления на основе фотонов должны оказаться более перспективной платформой благодаря своей технологичности и относительно низкому уровню ошибок при выполнении логических операций.
В рамках крупного проекта Фонда перспективных исследований «Прибой», выполняемого на физическом факультете в ЦКТ МГУ, а также реализации Дорожной карты по квантовым вычислениям в течение ближайшего времени планируется:
• создать регистр из 50 атомов-кубитов (Rb87);
• создать 25-канальный оптический квантовый процессор;
• продемонстрировать выполнение квантово-механического расчета
на двух- и трехатомных молекулах.
Установки по квантовым вычислениям на нейтральных атомах (а) и фотонных чипах (b)
Для решения этих амбициозных задач в ЦКТ построено несколько лабораторий, оснащенных самым современным оборудованием — это высоковакуумная техника, прецизионные лазерные системы, источники и приемники фотонов. Уже сегодня реализовано управление индивидуальными атомами рубидия в двумерных массивах, разработаны и изготовлены многоканальные программируемые интерферометры на основе литографической технологии и технологии фемтосекундной лазерной печати. Вместе с МГУ эти работы выполняют надежные партнеры Центра — МГТУ имени Н.Э. Баумана, ВНИИА имени Н.Л. Духова (Росатом) и физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе, институт физики полупроводников СО РАН и другие. Значительную технологическую поддержку оказывает совместный научно- образовательный центр Функциональные Микро/Наносистемы (МГТУ/ВНИИА имени Н.Л. Духова), в котором изготавливаются высококачественные чипы для построения оптических квантовых процессоров.
Еще один проект, который ведется нашим Центром — это создание так называемого квантового симулятора — многокубитной квантовой вычислительной системы с возможностью удаленного сетевого доступа для решения тестовых задач, базирующихся на квантовых алгоритмах. Это вычислительное устройство включает в себя два процессора на основе двух различных физических систем — холодные атомы в оптической ловушке и одиночные фотоны в линейно-оптических сетях. Каждый из процессоров может быть использован по отдельности, либо, если возможно разбиение задачи, они могут работать параллельно. Доступ к симулятору организован через сайт ЦКТ (rcp.qotlabs.org). Данный проект будет интересен и научным работникам, и студентам, и представителям коммерческих компаний, которые проходят курсы повышения квалификации, получая или углубляя знания в области квантовых технологий.
Квантовые коммуникации
Квантовая коммуникация — область науки и технологии, которая связана с передачей информации посредством квантовых состояний2. В основе разработок по квантовой защищенной связи лежат три утверждения, фактически являющиеся следствием соотношения неопределенностей Гейзенберга и теоремы о запрете клонирования квантовых состояний: наблюдаемые, описываемые некоммутирующими операторами, нельзя измерить одновременно, неизвестное квантовое состояние нельзя копировать и измерение неизвестного состояния приводит к его возмущению.
В подавляющем большинстве случаев носителями информации в квантовой коммуникации являются фотоны по довольно очевидным причинам:
• фотоны — быстрые («flyingqubits»);
• фотоны — дешевые;
• фотоны плохо взаимодействуют с окружением из-за малых значений соответствующих восприимчивостей;
• аппаратная и технологическая часть хорошо развита — она базируется на классических технологиях телекоммуникаций и интегральной оптики.
Сегодня от «настольных» демонстрационных квантово-оптических экспериментов мир шагнул к высокотехнологическим разработкам.
Основные тенденции этих разработок, в основном, сводятся к построению систем защищенной связи на основе либо волоконно-оптических, либо атмосферных (включая космические) каналов связи.
В волоконно-оптических линиях связи это:
• шифрование квантовыми ключами данных, передаваемыми по магистральным линиям связи;
• создание локальных защищенных сетей с электронным документообо- ротом;
• создание крупномасштабных сетевых структур через доверенные узлы.
В атмосферных/космических каналах это:
• распределение квантовых ключей между мобильными и стационарными объектами;
• распределение ключей между низкоорбитальными спутниками и наземными объектами;
• распределение ключей между низко- и высокоорбитальными спутниками;
• создание глобальных квантовых сетей, охватывающих значительные территории.
На физическом факультете ведутся исследования по обоим направлениям. Реализовано два крупных научных проекта, в результате которых созданы реальные продукты, готовые к коммерциализации. Это QUANDOR — комплекс квантово-криптографической аппаратуры защиты информации, состоящий из 10G шифратора канального уровня (L2) и оборудования квантового распределения ключей (КРК), и «квантовый телефон» QUANTEL — устройство, в котором текстовые файлы, речь и изображения шифруются «квантовыми ключами».
Аппаратура квантового шифрования
Квантовый телефон является частью системы коммуникационного оборудования ViPNet Quantum Security System, которая позволяет организовать квантово-защищенную сеть. Первая в России локальная компьютерная сеть на базе квантового распределения секретных ключей развернута на обоих кампусах МГУ (Ленинские горы и Моховая улица). Сеть протяженностью более 40 км объединяет более 20 абонентских пунктов и связывает кабинеты Ректора, декана физического факультета, нескольких проректоров, ЦКТ и другие подразделения Университета. На базе Университетской квантовой сети (зарегистрированный товарный знак) реализован защищенный
документооборот и связь (телефония, видеосвязь, обмен файлами) между легитимными абонентами.
Архитектура Университетской квантовой сети
Оба решения созданы ЦКТ в сотрудничестве с индустриальным партнером компанией «ИнфоТеКС» и компанией-оператором волоконно-оптических линий связи ЮЛ-ком Медиа. Эти разработки стали прекрасным образцом плодотворной совместной работы ученых и коммерческих компаний. В результате полученные устройства не просто отвечают запросам рынка на гарантированно безопасную передачу информации, но и полностью отвечают тем функциональным, эстетическим и эргономическим требованиям, которые предъявляются к современному телеком-оборудованию.
Беседа ректора МГУ В.А. Садовничего и декана физического факультета МГУ профессора Н.Н. Сысоева по квантовому телефону (длина линии 100 км). (В центре — С.П. Кулик)
Следующим шагом развития университетской квантовой сети будет создание Национальной квантовой (исследовательской) сети — объединение российских университетов и научных центров, ведущих работы в области квантовых технологий на основе магистральных квантовых сетей, и создание инфраструктуры городских квантовых сетей.
Что касается квантовых систем связи на основе атмосферных каналов, в Центре ведется ряд проектов, в рамках которых исследовано влияние турбулентности на эффективность передачи/приема квантовых состояний света с поляризационными и фазовыми степенями свободы. Здесь ключевым моментом является использование классических систем активного трекинга, адаптированных под низкоэнергетические квантовые состояния — для захвата и удержания канала связи. Разработаны системы квантового распределения криптографических ключей между мобильными и стационарными объектами, включая размещение на низкоорбитальном спутнике.
|
Также стоит отметить разработанный учеными ЦКТ МГУ квантовый генератор случайных чисел, основанный на пуассоновской статистике фотоотсчетов. Первичным источником случайности являются последовательности фотооотсчетов от квазиоднофотонного излучения, которое регистрируется матрицей кремниевых лавинных детекторов — SiPM (Silicon Photo Multiplier). Использование SiPM позволяет надежно контролировать квантовый характер пуассоновской статистики фототсчетов. |
|
|
Модуль компактного генератора случайных чисел |
Специальный алгоритм неэкспоненциальной сложности позволяет извлекать из пуассоновского процесса всю случайность, содержащуюся в нем, а именно случайную равномерную последовательность 0 и 1. Генератор обеспечивает скорость выработки случайных битов до 270 Мбит/с.
Квантовые сенсоры
Квантовые сенсоры — это высокоточные инструменты, основанные на квантовых системах. Предполагается, что квантовые сенсоры будут иметь характеристики, намного превышающие имеющиеся у классических аналогов. К таким характеристикам относят чувствительность (минимальное значение регистрируемого сигнала), пространственное и временное разрешение, рабочий диапазон измеряемых значений, время отклика или анализа, относительная воспроизводимость (например, частоты в стандартах времени), энергопотребление, габариты, сложность обслуживания, срок службы, стоимость производства и эксплуатации и др. Как и в случае квантовых вычислений, имеются определенные критерии применимости той или иной квантовой системы в качестве сенсора (аналог критериев Ди Винченцо):
1. Квантовая система имеет дискретные уровни энергии. В частности — двухуровневая система (или ансамбль двухуровневых систем) с нижним и верхним уровнями |0? и |1?, разделенных энергией перехода E = ??.
2. Должна иметься возможность приготовления (инициализации) квантовой системы в известных состояниях и выполнения операции считывания (измерения) этих состояний.
3. Квантовой системой можно когерентно манипулировать — обычно с помощью полей, зависящих от времени. Это условие не является строго обязательным для всех релаксаций.
4. Квантовая система взаимодействует с соответствующим физическим объектом V(t), например, электрическим или магнитным полем. Взаимодействие количественно оценивается параметром вида ? = ?qE / ?Vq, который связывает изменения энергии перехода Eк с изменением внешнего параметра V(t). В большинстве ситуаций связь либо линейная (q = 1), либо квадратичная (q = 2). Взаимодействие с V(t) приводит к сдвигу энергетических уровней квантовой системы.
В основе действия квантовых сенсоров лежат три свойства квантовых состояний:
принцип суперпозиции (квантовая когерентность) — волновые функции квантовых объектов представляют собой линейную комбинацию базисных состояний |? ? = c1|0? + c2|1?;
перепутывание (entanglement) — квантовое состояние составной системы может быть определено лучше, чем состояния подсистем
|?12? = 1—?2 {|01?|12? + {|01?|12?};
и тот факт, что измерение приводит к вероятностным исходам классических состояний Em = M†mMm, ?m Em = I, pm = ??|M†mMm|??.
Фактически, квантовый объект — кубит — служит чувствительным зондом для измерения физических (взаимодействующих) систем.
Сегодня устройства на основе квантовых сенсоров принято выделять в три основные группы: сенсоры электрических и магнитных полей; часы, гравиметры и гироскопы, а также группа под условным названием «квантовая метрология».
Один из наиболее интересных проектов в области квантовых сенсоров, реализуемых в Центре квантовых технологий МГУ, является создание детектора одиночных фотонов на основе планарных лавинных фотодиодов (ОЛФД) на гетероструктурах InGaAs/InP для систем однофотонной квантовой связи. Разработка ведется совместно со специалистами Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова (ИФП СО РАН) на основе разработанной ими базовой технологии. Данные устройства предназначены для работы в линейном и однофотонном «гейгеровском» режиме для применения в оптоволоконных системах однофотонной квантовой связи. Также их можно использовать для прецизионных измерений.
Другое устройство, которое относится к квантовым сенсорам и было разработано в ЦКТ — квантовый генератор случайных чисел. Он уже используется в устройствах квантовой связи и был рассмотрено выше.
В ЦКТ активно развивается направление разработки и создания одноэлектронных одноатомных устройств. В частности, ученые из группы О.В. Снигирева работают над созданием твердотельного одноатомного одноэлектронного транзистора, изготовленного на поверхности монокристалла полупроводника или диэлектрика с имплантированным в приповерхностный слой одиночным примесным атомом. Электронный транспорт осуществляется в системе исток — примесный атом — сток. Управление током через транзистор осуществляется электростатическим затвором. Свойства примесного атома и полупроводниковой или диэлектрической подложки целиком определяют транспортные свойства такого транзистора.
Одноатомные одноэлектронные транзисторы дадут возможность управлять транспортом одиночных электронов, вплоть до электрического считывания заселенности одночастичных состояний. В них реализуется возможность функционального использования особенности дискретного энергетического спектра электронов. Создание таких элементов и устройств открывает дорогу к созданию электронных устройств с атомной функциональной структурой и субнанометровыми характерными размерами рабочих элементов. Использоваться подобные устройства могут в элементах твердотельного квантового компьютера, в квантовых сенсорах, зарядовых клеточных автоматах, зарядовых резервуарных нейронных сетях.
Еще один интересный проект, над которым работают сотрудники группы нанофотоники под руководством А.А. Федянина, — создание однофотонного источника света.
Однофотонные излучатели являются одним из ключевых элементов во многих задачах в области квантовой информатики, в том числе в квантовых вычислениях и квантовой криптографии. Разрабатываемые в ЦКТ МГУ устройства представляют собой наноалмазы с центрами окраски, нанесенные на поверхность фотонного кристалла, который поддерживает распространение поверхностных электромагнитных волн, называемых блоховскими поверхностными волнами (БПВ). Наноалмазы покрываются слоем полимера, а затем в области наноалмазов с единичным центром окраски происходит создание волноводных структур с помощью метода двухфотонной лазерной литографии. Таким образом, реализуется метод интеграции однофотонных источников в волновод с помощью комбинирования двух технологий в рамках одной экспериментальной установки: технологии сканирования сигнала люминесценции и поиска наноалмазов, излучающих в однофотонном режиме, с последующей технологией лазерной литографии для создания волноводов над найденными наноалмазами. Отметим, что применение технологии двухфотонной лазерной литографии позволяет создавать сложные компактные волноводные структуры за один сеанс изготовления без увеличения стоимости конечного устройства.
Безусловными плюсами разрабатываемых устройств является то, что они не требуют сложных алгоритмов настройки и имеют высокую скорость работы. Кроме того, для БПВ отсутствует фиксированный закон дисперсии, а у устройств на их основе — омические потери. Использование БПВ позволяет управлять законом дисперсии за счет подбора материалов и толщин слоёв фотонного кристалла, а также существование как TM-, так и TE-поляризованных волн.
В ЦКТ традиционно продолжаются исследования по квантовой оптике. В последнее время усилия сосредоточены в основном на исследовании возможностей квантовой когерентной оптической томографии высокого разрешения и методов генерации тепловых полей с вычитанием/добавления определенного числа фотонов. Перспективным представляется проект по разработке методов характеризации линейно-оптических интегральных схем (ЛОИС) на основе интерферометрии тепловых полей. Преимуществом этого метода по сравнению со стандартным является то, что с одной стороны он не требует большого времени накопления данных, в отличие от метода, основанного на корреляционных измерениях бифотонов, а с другой стороны, его точность не ограничена фазовыми флуктуациями на входе в систему в отличие от метода, основанного на измерениях когерентных состояний.
Данный метод зависит лишь от уровня темновых шумов детектора. С увеличением шумов потери точности увеличиваются, но их можно скомпенсировать большим временем накопления, что с одной стороны не сильно увеличит время моделирования или эксперимента, а с другой стороны позволит уменьшить погрешности определения параметров передаточной матрицы и получить необходимую точность восстановления. Иными словами, разработанный метод позволяет получить бо?льшую точность при менее дорогом экспериментальном оборудовании.
Подводя итог, отметим, что в МГУ сконцентрированы значительные ресурсы и кадровый потенциал для решения разнообразных задач в области квантовых технологий. Выполняемые разработки еще совсем недавно были на переднем крае фундаментальных исследований, а сегодня составляют прочную основу нового технологического направления и подготовки квалифицированных кадров.
Сегодня исследования и разработки ведутся в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».
1 Это определение далеко не единственное, но, на наш взгляд, наиболее точно соответствующее современным физическим моделям.
2 Заметим, что квантовые коммуникации отнюдь не сводятся к квантовой криптографии, как часто можно услышать. Известно множество протоколов, таких как квантовая телепортации, сверхплотное кодирование, протоколы квантовой теории игр и проч., не имеющих отношения к проблеме распределения криптографических ключей.
С.П. Кулик, профессор кафедры квантовой электроники, научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ