Новосибирские физики провели исследование квантовых логических операций на основе холодных атомов и изучили оригинальные схемы квантовых вентилей, что имеет значение для построения элементной базы квантового компьютера.
Для реализации квантовых вычислений могут использоваться ультрахолодные атомы. На основе таких атомов применяют методы квантовых симуляторов (или квантово-механических систем), которые бывают аналоговыми и цифровыми. Последние идентичны квантовым компьютерам. Чтобы осуществить квантовохимические расчеты для таких симуляторов, нужен алгоритм определения состояний молекулы. Например, атомы возбуждаются в ридберговские состояния и взаимодействуют друг с другом. Наблюдаемые эффекты можно использовать в качестве записи квантовой информации. Кроме того, при этом разрабатываются и изучаются разные схемы, так называемые квантовые ворота, или вентили, чтобы понять физические процессы, возникающие при возбуждении атомов.
Новосибирские ученые Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН завершили трёхлетний проект (с 2017 по 2019) по гранту РФФИ «Квантовые симуляторы на основе взаимодействующих ультрахолодных ридберговских атомов», в котором внимание специалистов было направлено на изучение взаимодействия атомов в высоковозбужденных состояниях.
Так, российские специалисты экспериментальным путем обнаружили условия, подходящие для реализации трёхкубитных ворот Тоффоли. Также ученые предложили схему реализации простейшего цифрового квантового симулятора молекулы водорода на основе двух ультрахолодных атомов рубидия. Это может быть полезным для квантового моделирования с ридберговскими атомами в оптических решетках и дипольных ловушках.
На фото – Бетеров Илья Игоревич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН
Бетеров Илья Игоревич – руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, доцент кафедры квантовой электроники физического факультета Новосибирского государственного университета, доцент кафедры оптических информационных технологий Новосибирского государственного технического университета – поделился некоторыми результатами исследования и рассказал, что такое квантовые симуляторы и что представляют собой их новые схемы на основе ридберговских атомов.
«Проблема создания квантовых компьютеров вызывает все больший научный и общественный интерес. Это связано как с перспективами, которые открывает создание принципиально новых вычислительных устройств – расшифровка секретных кодов, решение новых задач машинного обучения, создание новых материалов, так и с фундаментальными научными проблемами, которые предстоит решить для создания квантового компьютера.
В последние годы значительный прогресс связан с работой исследовательских центров крупнейших IT-компаний – IBM, Google, Microsoft. Ими созданы прототипы квантовых процессоров, использующих сверхпроводники в качестве основных логических элементов. Компания IBM предоставила облачный доступ к своему квантовому процессору, а компания Google объявила о достижении квантового превосходства – это означает, что с помощью процессора Google была решена задача, которую не удается решить с помощью обычного компьютера. В то же время, надо отметить, что практической ценности эта задача не имеет, – Илья Бетеров пояснил, что представляют собой квантовые симуляторы и какова их роль в квантовой информатике – Несмотря на большой прогресс в области квантовых вычислений, проблема создания квантового компьютера все еще остается нерешенной. Фундаментальная научная проблема заключается в том, что чрезвычайно трудно управлять квантовым состоянием достаточно большой физической системы, и мы не до конца понимаем, насколько природа позволит нам это сделать. Несмотря на прогресс в сверхпроводящих системах, остаются вполне конкурентоспособными и альтернативными подходы, например, использование холодных ионов или атомов в качестве логических элементов квантового компьютера.
В связи с этим особенно интересно искать применение для тех несовершенных квантовых устройств, которые сегодня уже существуют. Большой интерес вызывают так называемые квантовые симуляторы. Это простые квантовые системы, с помощью которых можно моделировать поведение более сложных квантовых систем. Есть так называемые «аналоговые» квантовые симуляторы, которые основаны на том, что процессы в разных физических системах иногда могут описываться похожими формулами. В отличие от них, «цифровые» квантовые симуляторы аналогичны квантовым компьютерам, и решают отдельную задачу – описание поведения сложной квантовой системы. Оба типа симуляторов потенциально интересны для физических исследований в области материаловедения».
Для решения задач квантовой информатики учеными используются ультрахолодные нейтральные атомы. Как объяснил руководитель проекта Илья Бетеров, «такие атомы могут быть «захвачены» в оптический пинцет - фокус лазерного пучка в вакуумной камере, и затем с помощью лазерных и микроволновых полей мы можем управлять их квантовыми состояниями. Таким образом, каждый атом – это логический элемент квантового компьютера или квантового симулятора. Чтобы иметь возможность выполнять квантовые алгоритмы, необходимо, чтобы отдельные атомы, находящиеся в разных оптических пинцетах, взаимодействовали друг с другом. Для этого мы кратковременно возбуждаем их лазерным излучением на высоколежащие энергетические уровни. В этом случае атомы, находящиеся на расстоянии несколько микрон друг от друга, начинают эффективно взаимодействовать друг с другом. Мы изучили это взаимодействие экспериментально и предложили ряд теоретических схем квантовых логических операций с использованием атомов».
Идеей нынешнего проекта «Квантовые симуляторы на основе взаимодействующих ультрахолодных ридберговских атомов» послужили предыдущие работы новосибирских специалистов по разработке схем отдельных квантовых вентилей с использованием ультрахолодных атомов.
«Вслед за этим, мы решили объединить детально изученные нами отдельные шаги в квантовые алгоритмы. Для нашей группы этот проект достаточно новый в том плане, что мы, занимаясь элементной базой квантовых вычислений на основе атомных систем, не вели исследований в области теоретической квантовой информатики и квантовых алгоритмов в целом»,
– отметил Илья Бетеров и указал, какие задачи решены специалистами – Цель проекта была разработать и проанализировать перспективные схемы квантовых симуляторов, которые использовали бы специфические свойства хорошо изученной нами квантовой системы – ультрахолодных атомов в оптических дипольных ловушках. Для этого мы рассматривали различные подходы к реализации квантовых симуляторов и уделили большое внимание оригинальным схемам отдельных квантовых вентилей».
В проекте под руководством Ильи Игоревича Бетерова участвовали его коллеги по Институту – кандидат физ.-мат. наук, научный сотрудник Денис Борисович Третьяков, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Василий Матвеевич Энтин, младший научный сотрудник Елена Алексеевна Якшина, которые взяли на себя большую часть экспериментов по спектроскопии ридберговских атомов. Кроме того, участниками исследования стали студент Новосибирского государственного университета Иван Николаевич Ашкарин (провел большую работу по моделированию симулятора молекулы водорода и развитию использованных методов для более сложных систем) и студентка Новосибирского государственного технического университета Гулия Наильевна Хамзина (оптимизировала схемы отдельных квантовых вентилей).
«Большую помощь нам оказали заведующий нашей лабораторией член-корреспондент РАН Игорь Ильич Рябцев и профессор Марк Саффман из Висконсинского университета в Мадисоне (США) – мы обсуждали с ними все наши идеи», – подчеркнул Илья Бетеров.
Работа по изучению схемы для ридберговских состояний холодных атомов рубидия носила смешанный характер. По словам ученого, «все задачи появляются из наших экспериментов с холодными атомами. Но не все наши теоретические результаты удается проверить на имеющейся у нас экспериментальной базе. В то же время, сами подходы интересны исследователям из других групп, у нас есть совместные публикации».
Ранее новосибирские физики рассмотрели схему быстрых трёхкубитных квантовых ворот Тоффоли для ультрахолодных кубитов нейтральных атомов (PHYSICAL REVIEW A 98, 042704 (2018) FAST THREE-QUBIT TOFFOLI QUANTUM GATE BASED ON THREE-BODY FÖRSTER RESONANCES IN RYDBERG ATOMS).
Рисунок 1. Схема выполнения трёхкубитовой квантовой операции Toffoli gate с тремя ридберговскими атомами Rb, расположенными вдоль электрического поля. Управление атомными кубитами осуществляется с помощью коротких лазерных, микроволновых и электрических импульсов
«Трёхкубитовые вентили Тоффоли – это квантовая операция, в которой состояние одного квантового бита (кубита) меняется только в том случае, если два других бита находятся в состоянии логической единицы. Такие трёхкубитовые вентили являются самым сложным элементом универсального набора операций, позволяющего выполнить любой квантовый алгоритм. Кроме того, они интересны и для квантовой коррекции ошибок – а это одна из самых важных задач для создания практически полезного квантового компьютера, – Илья Бетеров дал определение термину квантовые ворота Тоффоли (three-qubit Toffoli quantum gate) и объяснил, что вызвало научный интерес – Мы в наших экспериментальных работах исследовали трёхчастичное взаимодействие холодных атомов и предположили, что на основе этого взаимодействия можно сделать соответствующий логический элемент. В итоге, нам удалось разработать схему такого элемента, несмотря на то, что физика трёхчастичного взаимодействия оказалась достаточно сложной, и наше предложение требует дальнейшей экспериментальной проверки».
Рисунок 2. Расчетная таблица истинности выполнения трёхкубитовой операции Toffoli gate, соответствующая общей точности 98,3%
Затем ученые изучили простейший цифровой квантовый симулятор на основе двух ультрахолодных атомов рубидия (СХЕМА КВАНТОВОГО СИМУЛЯТОРА МОЛЕКУЛЫ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ДВУХ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ АТОМОВ РУБИДИЯ //«КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА», 49, № 5 (2019) ).
Важно, что для новосибирских физиков большой интерес представляет проблема низкой точности двухкубитовых вентилей и, в связи, с этим возможности для цифровых квантовых симуляторов.
«Поскольку основные усилия экспериментаторов, стремящихся реализовать квантовые вычисления с атомами, нацелены на выполнение отдельных только квантовых операций, недостаточно внимания уделяется тому, какие квантовые алгоритмы могут быть реализованы в таких системах. Мы задумались, какой квантовый алгоритм может быть реализован в самой элементарной квантовой системе, которую мы изучаем экспериментально – атомах в оптических дипольных ловушках. Один из простейших вариантов – это определение энергии основного состояния молекулы водорода», – Бетеров отметил оригинальность предложенной схемы реализации квантового симулятора.
Что лежит в основе численного моделирования такой схемы?
«Наш подход основан на алгоритме квантовой оценки фазы, и он близок к аналогичной работе, ранее выполненной методами ядерного магнитного резонанса. Мы перенесли этот подход на атомную систему с учетом ее особенностей – конечного времени жизни квантовых состояний, конечной энергии взаимодействия, и провели численное моделирование эксперимента, который планируем выполнить в будущем. Кроме того, мы решали эту задачу итерационным методом «с конца», начиная с измерения самого младшего бита. Сейчас мы моделируем ту же задачу с использованием квантового процессора IBM»,– пояснил Илья Бетеров.
Рисунок 3. Адаптивная схема алгоритма оценки фазы, использующая единичное измерение контрольного кубита на каждой итерации
Специалисты Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН продемонстрировали отличительные преимущества схемы на основе ридберговских атомов и дали оценку межатомным взаимодействиям, которые учитываются при квантовом моделировании.
Заключительные итоги проекта апробированы совсем недавно на прошедшей Всероссийской научной конференции "Физика ультрахолодных атомов – 2019" 16-18 декабря 2019 года. Результаты исследования представлены в докладе одного их участников проекта студента НГУ Ивана Николаевича Ашкарина «Схема квантового симулятора молекулы водорода на основе двух ультрахолодных атомов рубидия».
