Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay
Открытая группа
4590 участников
Администратор Adm-X
Администратор vladmiza

Последние откомментированные темы:

20240329083652

←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →
Привилегированный участник пишет:

«Взглянуть на квантовую оптику с новой точки зрения» (фрагмент)

Интервью Алексея Огнёва с Олегом Астафьевым 30 июня 2020 года
Может ли количество ячеек памяти компьютера превысить число атомов во Вселенной? Зачем нужны искусственные атомы? Как сконструировать источник фотонов «по требованию» и звуковой лазер? Как научная дискуссия может привести к созданию произведения искусства? И может ли наш разум разглядеть реальность за уравнениями квантовой механики? Корреспондент «ТрВ-Наука» Алексей Огнёв поговорил на эти темы с Олегом Астафьевым, профессором Сколтеха и МФТИ. Около двадцати лет тот работал в Японии и Великобритании, но в итоге решил вернуться в Россию;
Одна из главных причин — талантливые студенты и оживленные семинары.

 Олег Астафьев («Троицкий вариант» № 13, 2020)

Олег Астафьев. Фото Е. Гурко

Олег Астафьев — профессор Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха, руководитель направления «Квантовые материалы и сверхпроводниковые технологии», зав. лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ  КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

— Вначале предлагаю поговорить о квантовых компьютерах. Эта тема на слуху, но детали остаются тайной за семью печатями для непосвященных. Скажите, пожалуйста, вы верите, что, условно говоря, через 50 лет квантовые компьютеры станут неотъемлемой частью повседневности?

— Это не вопрос веры. Квантовые компьютеры вполне могут быть сконструированы. Другое дело, что нынешние технологии пока еще недостаточно совершенны. Но работать в этом направлении, конечно же, необходимо, хотя бы потому, что, совершенствуя квантовые технологии, мы развиваем общие знания и методы, которые наверняка найдут применение в будущем, в том числе в смежных областях.

— Однако, насколько я понимаю, превосходство квантовых компьютеров над обычными будет проявляться только в специально подобранных задачах...

— Нужно понимать, что квантовые компьютеры — это не суперкомпьютеры. Они не вытеснят обычные компьютеры, но позволят решать определенный класс задач, которые очень сложны и требуют слишком много времени для решения классическими компьютерами. Конечно, чтобы продемонстрировать свои возможности, разработчики специально подбирают определенную задачу — ничего плохого здесь нет. Это принцип науки: вы подтверждаете, что система работает, а дальше развиваете ее. Но о практическом применении пока рановато говорить.

— Преимущество квантового компьютера по идее проявляется там, где обычный будет перебирать огромное количество вариантов?

— Квантовые компьютеры смогут симулировать большие системы (например, сложные молекулы), могут быть полезны в машинном обучении, решать так называемые задачи оптимизации или поиска с большим числом параметров, так как смогут работать с огромным счетным пространством (в квантовой механике оно называется «гильбертово пространство»). Трудно осознать, например, такой факт: квантовая система «всего» с 280 кубитами будет работать с пространством, размер которого больше, чем число атомов во Вселенной — не галактик, не звезд, не планет, а именно атомов!

— Примерно 10 в 80-й степени?

— Да. Это совершенно безумное число, его невозможно осознать! И, конечно же, невозможно построить классический компьютер с подобным объемом памяти.

 

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ  КУБИТЫ

— В чем особенность кубитов, с которыми вы работаете?

— Есть предложения, как построить квантовые компьютеры, основанные на атомах, фотонах, квантовых точках в полупроводниках. Мы же занимаемся сверхпроводниковыми квантовыми технологиями. Они в каком-то смысле наиболее перспективны, потому что в сверхпроводниках электрический ток не затухает и сверхпроводниковые наноструктуры относительно легко масштабировать: проектировать, связывать друг с другом и изготавливать интегральные схемы из большого количества элементарных ячеек — кубитов.

— Как был создан первый российский кубит? Что он собой представлял?

— Моя лаборатория в МФТИ была создана в 2014 году в рамках поддержки ведущих университетов — проекта «5-100». К тому времени в МФТИ  уже успешно работал нанотехнологический центр. Лабораторию не удалось бы построить без активного участия коллег. Особенно хочу поблагодарить Елену Николаевну Логинову — она помогла создать отличный коллектив. На ней сейчас в значительной степени всё держится.

На деньги программы мы закупили криостат растворения, который может охладить схему до температур всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля, набор СВЧ-оборудования, естественно, компьютеры и построили измерительную установку. Используя возможности нанотехнологического центра и наши знания, изготовили и продемонстрировали работу первого полностью российского кубита. Этот кубит представлял из себя маленькое, размером несколько микрон, колечко из алюминия с так называемыми джозефсоновскими переходами. У меня был большой опыт работы с такими кубитами, поэтому на них и остановились.

Рис. 1. Схематичное изображение джозефсоновского перехода («Троицкий вариант» № 13, 2020)

Рис. 1. Схематичное изображение джозефсоновского перехода. На подложку кремния или сапфира напыляется тонкий слой алюминия через маску, сформированную с помощью электронной литографии. Затем алюминий окисляется в кислородной атмосфере с формированием диэлектрического слоя оксида алюминия на поверхности. После этого напыляется следующий слой алюминия. Два слоя оказываются разделёнными тонким слоем диэлектрика, через который могут туннелировать куперовские пары

У нас возник хороший консорциум, я бы даже сказал — коллектив единомышленников. В него входят лаборатории Алексея Устинова (НИТУ МИСиС), Валерия Рязанова (ИФТТ РАН), Российского квантового центра, ВНИИА имени Духова, МГТУ имени Баумана и НГТУ. Результатом этого проекта была двухкубитная схема. Это элементарная ячейка, которая в каком-то смысле представляет собой аналог элементарной логической схемы («вентиля») в классическом компьютере. Финансировали этот первый российский проект по кубитам Фонд перспективных исследований, Министерство науки и высшего образования и Росатом. Проект закончился в 2019 году.

На этом этапе мы не стали изобретать велосипед — мы просто пошли по тому пути, который был пройден в других группах. За небольшой срок — два-три года — мы прошли путь, на который другие группы и лаборатории потратили больше десяти лет. Конечно, мы частично шли проторенной дорожкой, но применяли и свои решения. Это очень сложная работа. Она требовала усилий множества людей и немалых финансовых вложений. И теперь у нас есть базовая технология, знания и опыт в области сверхпроводниковых квантовых систем, на основе которых мы можем двигаться дальше в этом направлении. Самое важное — у нас появился коллектив молодых талантливых физиков с высочайшей, уникальной и широкой квалификацией в этой области. Очень важная задача — не растерять приобретенный потенциал.

— Какие научные группы работают в этой сфере за рубежом? С кем вы соперничаете, сотрудничаете, на кого ориентируетесь?

— Лет десять назад было, мне кажется, около двадцати научных групп; сейчас это число значительно возросло (может быть, в два-три раза, мне сложно сказать). Помимо чисто научных групп есть венчурные компании, которые пытаются строить коммерческие квантовые процессоры, — им уже нужно решать вполне конкретные инженерные задачи.

Мы сотрудничаем с научными группами в Японии, Великобритании (с Лондонским университетом), Германии (Технологическим университетом в Карлсруэ), Китае (Университетом Цинхуа), Финляндии (университетом Аалто) и другими.

— В чем сложность вашей работы с технологической точки зрения? Сейчас нужно охлаждать систему практически до абсолютного нуля. Вы планируете постепенно уходить от низких температур?

— Температура не самая большая проблема. По сути дела, мы просто загружаем образец в криостат, нажимаем на кнопку и ждем сутки, пока температура автоматически опустится. Я, конечно, несколько утрирую, но достижение низких температур становится всё проще и проще с развитием техники. Криостаты так же, как и технологическое оборудование, достаточно дорогостоящие, но несравнимы со стоимостью оборудования во многих других областях науки и технологии.

Вы правы: конечно, было бы лучше уйти от низких температур, хотя это не принципиальное ограничение. Есть оптические методы: они используют реальные атомы и работают с фотонами в видимом диапазоне. Чтобы понимать разницу: в видимом диапазоне фотоны имеют энергию в сто тысяч раз больше, чем в наших экспериментах. Часть проблем снимается, хотя такие системы всё равно необходимо охлаждать для прецизионного контроля квантовых состояний. Однако возникают другие проблемы. Из обычных атомов очень тяжело изготовить что-то похожее на интегральную схему — нужно управлять каждым отдельным атомом. Это непростая задача. В области оптических квантовых систем тоже есть прогресс, но мы считаем, что квантовые системы на сверхпроводниках имеют преимущество: они ближе к электронике, и методы контроля более простые, на наш взгляд. Наши кубиты располагаются на чипе; они не могут произвольно «убежать», как это делают обычные атомы в ловушках. К ним подведены линии контроля и считывания, и они управляются электрическими сигналами.

Одна из основных трудностей здесь в том, что нужно изготавливать очень маленькие структуры с хорошей воспроизводимостью и высоким качеством. Размеры ключевых элементов — сто, а иногда и десятки нанометров. Важно иметь достаточно продвинутую технологическую базу для изготовления чипов и осуществлять прецизионный контроль таких структур. Кроме того, нужна сложная измерительная установка. Для нее требуется набор микроволнового оборудования в СВЧ-диапазоне, быстрой специализированной цифровой электроники. Мы подаем сигналы и измеряем отклик от нашей системы. По сути дела, в конце мы считываем слабый сигнал от квантовых устройств в виде единичек-ноликов.

— Насколько я понимаю, роль единицы и нуля играет направление тока в сверхпроводниковом кольце: по или против часовой стрелки. И в определенный момент оно начинает спонтанно меняться — это и есть суперпозиция нуля и единицы.

— Да, наш первый кубит строился на колечке, где направление циркулирующего тока задавало логический ноль или единицу. Сверхпроводниковые квантовые системы базируются на принципе двух степеней свободы: магнитной и зарядовой. Магнитная — связана с током: сверхпроводящий (незатухающий) ток течет по колечку либо в одну, либо в другую сторону, экранируя внешний магнитный поток. Изменение внешнего магнитного поля приводит к скачкообразному изменению тока, что эквивалентно добавлению или убиранию кванта магнитного потока в колечке. Но нам необходимо не только квантование магнитного потока, но и квантование заряда. В сверхпроводниковых системах электроны связываются в пары — так называемые куперовские пары. Это и есть наш элементарный заряд. Самый простой кубит можно построить, используя кванты заряда или магнитного потока.

Рис. 2. Схематичное изображение зарядового кубита («Троицкий вариант» № 13, 2020)

Рис. 2. Схематичное изображение зарядового кубита. Сверхпроводниковый остров соединен с нижним заземленным электродом через тонкий слой диэлектрика. Через этот слой куперовские пары (элементарные заряды сверхпроводников) могут туннелировать. На правой картинке изображены два состояния кубитов: нейтральное состояние и состояние с одной куперовской парой

В прошлом году мы праздновали двадцатилетие создания первого сверхпроводникового кубита. Он был сделан в группе NEC, где я долго работал. Это так называемый зарядовый кубит — маленький металлический островок размером меньше одного микрона. Такой маленький островок в нейтральном (незаряженном) состоянии может кодировать «ноль». Если же элементарный заряд — а в сверхпроводниках это пара электронов (куперовская пара) — попадает на «остров», его заряд становится равным двум зарядам электрона, и такое состояние будет эквивалентно единице. Контролировать состояние такого кубита можно с помощью электрических сигналов на электродах рядом с островком. Таким образом, мы положили заряд — создали состояние «один», убрали — создали состояние «ноль». Такие кубиты сейчас напрямую не используются, потому что они очень чувствительны к окружающим зарядам в диэлектрике и шумам, которые эти заряды производят. Используются немного более сложные системы: зарядовый кубит с дополнительной емкостью, который еще называют искусственным атомом по аналогии с естественными атомами. Возбужденный искусственный атом — состояние «один», невозбужденный — состояние «ноль».

Рис. 3. Пример сверхпроводникового кубита («Троицкий вариант» № 13, 2020)

Рис. 3. Пример сверхпроводникового кубита. Светлые области соответствуют плёнке алюминия, напыленной на кремниевую подложку. При охлаждении алюминий переходит в сверхпроводящее состояние. Кубит управляется СВЧ импульсами, которые прикладываются к микроволновой линии

Источник https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435405/Vzglyanut_na_kvantovuyu_optiku_s_novoy_tochki_zreniya

                                                                     

 

Это интересно
0

Привилегированный участник 02.08.2020
Пожаловаться Просмотров: 341  
←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →


Комментарии временно отключены