Ученые кластера Квантум Парк МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» разработали устройство управляемой квантовой памяти с сохранением формы входного микроволнового импульса и доступом к нему по требованию. Эффективность превышает 57%, что существенно превосходит ранее опубликованные мировые результаты (21% в США, 12% в Китае). Результаты опубликованы в Physical Review Letters, ведущем мировом журнале в области физики.
Квантовая память. Автор иллюстрации: П. Усанова / МГТУ им. Н.Э. Баумана
Для реализации доступа по требованию разработана новая архитектура кристалла квантовой памяти с управляемыми элементами связи – активного «ключа», – отличающаяся масштабируемостью и возможностью интеграции на чипе со сверхпроводниковыми кубитами для создания распределенных гибридных систем обработки информации с квантовыми сопроцессорами.
Разработанное устройство – важнейший компонент будущих квантовых сенсоров для сверхчувствительного детектирования малозаметных объектов и реализации перспективных методов квантовой коррекции ошибок.
Создание интегральной квантовой памяти для микроволновых фотонов, совместимой с архитектурой сверхпроводниковых кубитов, – стратегическая задача мирового уровня и одновременно сложнейший научный и инженерный вызов. Использование квантовой памяти облегчит реализацию продвинутых алгоритмов коррекции ошибок, создание распределенных квантовых систем путем повышения связности кубитов и разработку квантовых сенсоров нового поколения, способных регистрировать объекты с беспрецедентной точностью. До настоящего времени все существующие прототипы страдали от низкой эффективности, сложного управления и существенных потерь сигнала, вносимых самими управляющими элементами.
Управляемая квантовая память: всё дело в «ключе»
Работа устройства основана на принципе фотонного/спинового эха. Квантовая память представляет собой чип с системой высокодобротных резонаторов, в которых хранится микроволновый импульс заданной формы. Инновация устройства заключается в использовании уникального активного связующего элемента на базе джозефсоновского перехода. Он выполняет роль активного «ключа», который может быстро соединять память с внешним миром (входной линией) или полностью изолировать ее на этапе хранения импульса.
Принцип действия устройства заключается в трех шагах:
- Запись: этап записи основан на согласованном поглощении микроволнового импульса системой резонаторов. Благодаря точному подбору параметров системы каждая частотная составляющая сверхслабого сигнала (с энергией на уровне одиночного фотона) направляется в соответствующий резонатор.
- Хранение: активный «ключ» «закрывается», полностью изолируя квантовую память от внешней среды, – необходимое условие для высокоэффективного хранения квантовой информации.
- Считывание по требованию: по требованию пользователя отправляется пакет управляющих сигналов наносекундной длительности, «ключ» открывается. Спектральные компоненты, ранее распределенные по резонаторам, собираются воедино, формируя сдвинутую во времени копию входного сигнала.
«В нашем устройстве частоты входного импульса расходятся по системе резонаторов, словно ноты оркестра по своим партиям, и замирают в ожидании. Циклический характер памяти продиктован необходимостью поддерживать фазовые соотношения – информация удерживается внутри устройства до тех пор, пока по запросу пользователя не высвобождается точная, но задержанная во времени копия входного импульса. Мы фактически научились останавливать, хранить и отпускать микроволновые фотоны по команде», – сказал Алексей Матанин, младший научный сотрудник кластера Квантум Парк.
В ходе экспериментов квантовая память продемонстрировала цикл хранения 1,51 мкс, т.е. эффективную частоту памяти в 662 кГц – это лучшие показатели в мире.
«Созданная нами квантовая память демонстрирует рекордные параметры, что является серьёзным достижением в решении одной из самых сложных задач квантовой инженерии. Наше устройство может стать той самой ″квантовой оперативкой″, которой не хватало для ускорения развития квантовых вычислений и сенсорики», – отметил Михаил Гордин, ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Чип в золотом держателе. Автор фото: Руслан Алибеков
Преодолевая фундаментальные ограничения
Ключевые преимущества архитектуры квантовой памяти, разработанной совместно МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА», обеспечивают её прорывной характер. В их числе высокая точность операции хранения – на разработанном устройстве достигнут показатель 57,5%, что в несколько раз превосходит результаты мировых аналогов для решений на чипе (21% у Stanford University, 12% у Tsinghua University). Конструкция требует минимального числа управляющих элементов: для работы необходима всего одна дополнительная линия управления, что упрощает интеграцию устройства и снижает уровень шума.
Важнейшей особенностью также является отсутствие потерь на этапе хранения: в отличие от других подходов (архитектур), активный «ключ» в выключенном состоянии не вносит дополнительных потерь в систему хранения, что снимает одно из главных ограничений эффективности устройства.
«Долгое время потери при передаче и хранении микроволновых фотонов были непреодолимым барьером. Впервые в мире мы смогли обойти фундаментальные ограничения, минимизировав влияние управляющих элементов на хранение квантовой информации. В результате получили устройство, теоретическая эффективность которого не ограничена и потенциально может достигать 100%. Это крайне важно, поскольку эффективность предложенных в мире архитектур квантовой памяти значительно ограничена даже в теории», – подчеркнул Илья Родионов, руководитель кластера Квантум Парк МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».
Архитектура квантовой памяти совместной разработки МГТУ и ВНИИА конструктивно и технологически совместима со сверхпроводниковыми кубитами – ведущей платформой для квантовых вычислений, что открывает путь к интеграции памяти в реальные квантовые процессоры для квантовой коррекции ошибок.
Информация и иллюстрации предоставлены НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы
МГТУ им. Н.Э. Баумана
