ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 83, № 7, с. 606-615
ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
Б01: 10.7868/80869587313070177
Современное состояние экспериментальных исследований по применению одиночных нейтральных атомов, захваченных в оптические ловушки, в качестве кубитов квантового компьютера, и применению одиночных фотонов для передачи информации — тема публикуемой статьи. Авторы приводят результаты экспериментов по наблюдению взаимодействия двух ридберговских атомов, а также рассматривают опыты в области квантовой криптографии и передачи данных одиночными фотонами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА С ОДИНОЧНЫМИ АТОМАМИ И ФОТОНАМИ
И.И. Рябцев, И.И. Бетеров, Д.Б. Третьяков, В.М. Энтин, В.Л. Курочкин,
А.В. Зверев, И.Г. Неизвестный
Квантовая информатика — новое направление современной квантовой физики, в котором носителями информации или элементарными логическими ячейками являются одиночные квантовые объекты — фотоны, электроны, атомы, молекулы, ионы и т.д. Их основным отличием от классических объектов информатики является наличие специфических квантовых свойств: корпускуляр-но-волнового дуализма, дискретности энергетических состояний, квантовой суперпозиции состояний, возможности существования так называемых "перепутанных" квантовых состояний, связанной с ними нелокальности квантовых объектов и др.
Наиболее интересными направлениями квантовой информатики, которые могут иметь практическое применение в ближайшем будущем, яв-
РЯБЦЕВ Игорь Ильич — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН). БЕТЕРОВ Илья Игоревич -кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ИФП СО РАН. ТРЕТЬЯКОВ Денис Борисович — кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ИФП СО РАН. ЭНТИН Василий Матвеевич — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИФП СО РАН. КУРОЧКИН Владимир Леонидович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИФП СО РАН. ЗВЕРЕВ Алексей Викторович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИФП СО РАН. НЕИЗВЕСТНЫЙ Игорь Георгиевич — член-корреспондент РАН, профессор кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники Новосибирского государственного технического университета.
ляются квантовые компьютеры и квантовая криптография. Квантовые компьютеры могут выполнять некоторые виды вычислений намного быстрее классических компьютеров. Квантовая криптография обеспечивает практически полную защищённость данных, передаваемых одиночными фотонами. Несмотря на несколько разные задачи, решаемые в рамках этих направлений, они являются взаимосвязанными, — именно потенциальная возможность создания квантовых компьютеров, способных за короткое время факто-ризовать (раскладывать на простые множители) большие числа, привела к созданию квантовой криптографии, которая, в отличие от классической криптографии, не требует факторизации больших чисел для расшифровки передаваемых данных.
В то время как разнообразные теоретические аспекты квантовой информатики разработаны уже довольно хорошо, экспериментальная сторона вопроса всё ещё требует дальнейших исследований. Дело в том, что манипуляция одиночными квантовыми объектами без разрушения их квантовых состояний является очень сложной научной и технической задачей, которая предполагает совершенно новые подходы при экспериментальной реализации. В данной статье мы кратко рассмотрим основные экспериментальные аспекты создания квантовых компьютеров на основе одиночных нейтральных атомов в оптических решётках и квантовых линий связи на основе одиночных фотонов, а также приведём некоторые экспериментальные и теоретические результаты, полученные нами за последние годы в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова (ИФП) СО РАН.
КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ И КУБИТЫ НА ОСНОВЕ ОДИНОЧНЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ
Общие сведения о квантовых компьютерах.
Под квантовым компьютером понимается вычислительная система, в основе работы которой лежат законы квантовой механики. Интерес к таким компьютерам обусловлен как видимыми в недалёком будущем пределами возможностей современных компьютеров, так и совершенно иными принципами работы, основанными на быстрой параллельной обработке информации [1—3]. Благодаря дискретности состояний, квантовые объекты могут представлять отдельные биты информации или логические элементы. Например, если квантовый объект способен находиться в двух стационарных состояниях, то их можно принять за логические |0) и |1). Такой объект называется кубитом (quantum + bit = qubit) или квантовым битом информации (рис. 1).
В отличие от обычного бита, кубит может находиться в суперпозиции квантовых состояний a|0) + b|1). Квантовая система из N кубитов (например, ансамбль двухуровневых атомов) представляет собой квантовый регистр (см. рис. 1). Число базисных состояний регистра равно 2N, что является основой для выполнения быстрых алгоритмов параллельных вычислений, поскольку изменение состояния одного или нескольких куби-тов будет изменять сразу все состояния квантового регистра [1—3]. При вычислениях на классическом компьютере элементарная квантовая логическая операция над такой суперпозицией потребовала бы 2N шагов. Возникающий таким образом квантовый параллелизм является главным практическим преимуществом квантового компьютера.
До настоящего времени наилучший путь практической реализации квантового компьютера остаётся неизвестным. Разработка реального квантового компьютера требует последовательного решения ряда сложных научных и технических задач. На первом этапе необходимо выбрать наиболее подходящие квантовые объекты в качестве кубитов. Они должны удовлетворять ряду критериев, сформулированных в работах Д.П. ДиВинченцо [2]. Это возможности инициализации кубитов (задание начальных состояний), индивидуальной адресации и управления состоянием отдельных кубитов, масштабирования к большому числу кубитов (для полноценного квантового компьютера необходимо 500—1000 кубитов), выполнения набора универсальных одно-и двухкубитовых квантовых операций, а также достаточно продолжительное время сохранения когерентности квантовых состояний.
Простейшие квантовые вычисления были впервые продемонстрированы на органических молекулах с использованием техники ядерного магнитного резонанса в жидкостях [4], однако они, по-видимому, не имеют перспектив практи-
о1
о|0>
О |0101> О |5>
J^f О |4> + |5>
Рис. 1. Кубиты квантового компьютера и квантовые регистры
а — кубит квантового компьютера может находиться как в одном из квантовых состояний (например, спин вверх или вниз), соответствующих логическим 1 или 0, так и в их суперпозиции; б — набор из нескольких кубитов представляет квантовый регистр; в — изменение состояния одного кубита изменяет состояние всего регистра
ческого использования из-за трудности масштабирования к большому числу кубитов. Подобные проблемы возникают и в экспериментах с одиночными ионами в электростатических ловушках, в которых на сегодняшний день достигнуты наибольшие успехи в реализации простых квантовых алгоритмов [5]. В то же время кубиты в полупроводниках [6] и сверхпроводниках [7] находятся в начальной стадии разработки и испытывают проблемы быстрой декогерентизации, а также отсутствия эффективного контроля и управления их квантовыми состояниями.
Кубиты на основе нейтральных атомов в оптических решётках. Сравнительно недавно было предложено использовать в качестве кубитов холодные нейтральные атомы [5, 8], которые могут образовывать большие упорядоченные ансамбли в оптических решётках. Это стало возможным благодаря значительным успехам в области лазерного охлаждения и захвата атомов, достигнутым в последние годы. Нейтральные атомы слабо взаимодействуют с окружением, а квантовые операции с ними могут выполняться одновременно во всём ансамбле. Холодные атомы в оптических решетках хорошо удовлетворяют всем критериям Д.П. ДиВинченцо.
Нейтральные атомы образуют упорядоченные пространственные структуры — оптические решётки — при захвате в пучности стоячей световой волны, сформированной по одному, двум или трём направлениям (рис. 2). Захват происходит благодаря дипольной силе, действующей в градиенте светового поля и втягивающей атомы в максимумы напряжённости поля (при красной от-
a
б
в
Рис. 2. Оптическая решётка из холодных нейтральных атомов образуется в поле двумерной стоячей световой волны
При красной отстройке от атомного резонанса атомы захватываются и удерживаются в максимумах интенсивности стоячей волны, соответствующих минимумам потенциала взаимодействия
стройке частоты излучения от атомного резонанса). В зависимости от длины волны излучения расстояние между соседними атомами может составлять 1—10 мкм. Это расстояние должно быть достаточно малым, чтобы обеспечить сильное межатомное взаимодействие для выполнения двухкубитовых операций, и в то же время достаточно большим, чтобы обеспечить индивидуальное управление отдельными атомами с помощью сфокусированного лазерного излучения. Оптимальным расстоянием является 5—10 мкм [9]. В других недавно реализованных схемах атомы захватывались либо в фокусы двумерного массива микролинз [10], либо в фокусы отдельных лазерных пучков, разделённых несколькими микронами [11].
Следующим шагом на пути практической реализации квантового компьютера является выполнение универсальных одно- и двухкубитовых
Vdd ~
О
о
о
о
о
Лазер
Лазер
Рис. 3. Для выполнения двухкубитовых квантовых операций атомы в оптической решётке кратковременно возбуждаются лазерными импульсами в высо-колежащие ридберговские состояния с главным квантовым числом п > 1, которые характеризуются сильным диполь-дипольным взаимодействием
квантовых логических операций. Как показал в своих пионерских работах Р.Ф. Фейнман [1], квантовые вычисления могут осуществляться с использованием последовательности универсальных однокубитовых (NOT) и двухкубитовых (Controlled-NOT, или CNOT) операций в ансамбле кубитов.
В случае атомов щелочных металлов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.