КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 16-12-00070
НазваниеФотоника в микроволновом диапазоне для квантовой информатики и квантовой электроники на чипе
РуководительАстафьев Олег Владимирович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2016 г. - 2018 г. | , продлен на 2019 - 2020. Карточка проекта продления (ссылка) |
Конкурс№11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика
Ключевые словаквантовые вычисления, кубиты, сверхпроводимость, квантовое проскальзывание фазы, нано-приборы, джозефсоновские переходы, квантовая оптика, СВЧ, искусственные атомы , фотоны
Код ГРНТИ29.19.22
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Технология сверхпроводниковых кубитов развивается около 15 лет. Основные научные результаты, полученные за это время:
• времена когерентности кубита улучшены на несколько порядков (до миллисекунд);
• продемонстрированы элементарные логические операции и потенциально применимые, прорывные механизмы коррекции ошибок;
• показана возможность использования сверхпроводниковых квантовых систем в качестве искусственных атомов и реализации на них эффектов квантовой оптики;
• продемонстрирован контроль фотонных состояний в замкнутой системе кубит-резонатор и контроль за состояниями кубита в открытой полосковой линии.
Таким образом подготовлена база для развития нового подхода в квантовой информатике и к реализации новых типов приборов квантовой электроники на чипе.
Наиболее перспективной и стратегически важной задачей является создание оптического квантового компьютера, в котором носителями информации являются фотоны. К сожалению, такую схему очень сложно реализовать сегодня в силу отсутствия надёжных источников фотонов и нелинейных элементов к полям одиночных фотонов. Эти недостатки могут быть устранены, если использовать сверхпроводниковые квантовые системы. Такие системы обладают всеми необходимыми качествами для реализации как высокоэффективных источников фотонов в открытую копланарную линию, так и в качестве нелинейных элементов для взаимодействия одиночных фотонов.
Основная цель данного проекта - исследование и разработка новых подходов для различных приложений в области микроволновой (в диапазоне нескольких гигагерц) фотоники на сверхпроводниковых квантовых структурах.
В проекте предусмотрено выполнение следующих работ:
(а) изучение различных подходов для контроля одиночных микроволновых фотонов;
(б) исследование возможности детектирования слабого микроволнового излучения, вплоть до уровня единичных фотонов;
(в) исследование возможности генерации контролируемых фотонных состояний;
(г) разработка детекторов слабого микроволнового излучения;
(д) разработка источников фотонов по требованию;
(е) экспериментальная реализация генерации одиночных фотонов;
(ж) генерация многофотонных и запутанных фотонных состояний;
(з) демонстрация возможности взаимодействия одиночных фотонов;
(и) исследование новых режимов функционирования искусственных квантовых систем, а также изучение возможности улучшения воспроизводства заданных параметров квантовых систем и улучшение характеристик и времён когерентности.
Проект позволит создать элементную базу для квантовой информатики и для построения оптического квантового компьютера в микроволновом диапазоне. Важно также, что предлагаемые нами решения не ограничиваются квантовой информатикой и дадут вклад в создание приборов нового типа, а именно: сверхчувствительных детекторов; качественно новых приборов квантовой электроники на чипе, способных манипулировать с полями вплоть до единичных фотонов.
В ходе выполнения проекта будут также разработаны квантовые системы с воспроизводимыми параметрами и большими временами когерентности, которые, в свою очередь, могут стать основой как «традиционных», так и новых практических приложений кубитов.
Руководитель проекта Астафьев О.В., будучи основателем и лидером научного направления квантовой оптики на искусственных квантовых системах в открытом пространстве, является одним из лидеров в области квантовых технологий. Под его руководством сотрудники лаборатории Искусственных квантовых систем (ИКС) МФТИ освоили технологию фабрикации сверхпроводниковых кубитов и в мае 2015 года получили первый в России работоспособный сверхпроводниковый кубит. Это событие может рассматриваться как прорыв в области российских квантовых технологий https://mipt.ru/science/labs/artificial_quantum_systems_lab/oborudovanie/dostizheniya.php
В настоящее время первые образцы успешно работающих российских кубитов исследуются в тесной кооперации, как с российскими, так и с зарубежными лидерами в области сверхпроводящих кубитов, искусственных квантовых систем, современной квантовой оптики.
Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта планируется разработать:
(а) воспроизводимые сверхпроводниковые кубиты с большими временами когерентности;
(б) источники микроволновых фотонов по требованию;
(в) чувствительные детекторы микроволнового излучения;
(г) многофотонные источники излучения;
(д) нелинейные элементы для взаимодействия одиночных фотонов.
Полученные при выполнении проекта результаты будут способствовать решению научно-технические задач в области квантовых коммуникаций и задач, направленных на создание компонентной базы для квантовых технологий (Научный приоритет «Перспективные квантовые коммуникации и вычисления»), а также станут элементной базой для квантовой информатики и основой нового подхода в построении квантовых компьютеров и нового типа квантовой электроники на чипе;
Предлагаемый подход к решению основной задачи объединит преимущества твердотельных квантовых технологий и квантовой оптики и является новым, перспективным, но пока неисследованным.
Дополнительным результатом проекта будет развитие твердотельных квантовых технологий в России и в частности в МФТИ.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проект РНФ «Фотоника в микроволновом диапазоне для квантовой информатики и квантовой электроники на чипе» (2016–2018 гг.) выполняется научным коллективом Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ под руководством проф. Астафьева О.В.
Основная задача первого года проекта - подготовка технологической, теоретической и экспериментальной основы для проведения манипуляций с одиночными фотонами. В соответствии с заявленным планом в 2016 г. были выполнены следующие работы:
1. Отработаны технологии изготовления схем чипов полосковой линии, сверхпроводниковых кубитов, включая оптимизацию параметров процессов для электронной и лазерной безмасочной литографии.
2. Собраны микроволновые схемы для криостата с целью проведения измерений сверхпроводниковых квантовых схем, пригодных для манипулирования фотонными состояниями.
3. Разработана численная квантово-механическая модель, на основе которой подобраны оптимальные параметры (емкости связи, энергии переходов) для максимально эффективной работы кубита в линии (наибольшая связь при наибольшем времени жизни). На ее основе рассчитаны суммарные значения релаксации и декогеренции.
4. Методом теневого двухуглового напыления изготовлен сверхпроводниковый кубит, связанный с копланарной линией.
5. Проведен контроль квантовых состояний в кубите, связанном с микроволновой линией, в том числе, охарактеризовано измерение резонансной частоты кубита в зависимости от приложенного внешнего магнитного поля.
6. Сформированы последовательности ("поезда") микроволновых импульсов для приготовления и измерения квантовых состояний кубита в линии. Подобрана задержка между возбуждающими и считывающими импульсами для селективного считывания излучения кубита.
7. Разработана методика измерения квантовых осцилляций кубита в линии посредством подачи импульсов и последующего детектирования когерентного излучения.
8. Отобраны и протестированы материалы и предложены схемы для детектора фотонов.
9. Проведена детальная разработка схемы источника фотонов, включая: разработку численной квантово-механической модели, на основе которой подобраны оптимальные параметры для максимально эффективной генерации одиночных фотонов.
10. Предложена и проанализирована принципиальная схема генерации одиночных фотонов в микроволновой линии с использованием кубита, несимметрично связанного с двумя открытыми полупространствами.
11. Проведены точные теоретические расчеты коэффициентов прохождения и отражения слабого микроволнового сигнала .
12. Разработана и отрисована экспериментальная схема однофотонного источника.
Результаты работ опубликованы в двух научных статьях в Applied Physics Letters и Nature Communications, ещё одна статья подана в печать. Деятельность лаборатории в рамках проекта нашла отражение в нескольких публикациях в средствах массовой информации:
1. http://phys.org/news/2016-08-single-photon-microwave-source.html
2. http://planet-today.ru/novosti/nauka/item/54853-uchenye-sozdali-dlya-kvantovogo-kompyutera-odnofotonnyj-izluchatel
3. https://ria.ru/science/20161027/1480116НОвости869.html
4. http://www.polit.ru/news/2016/10/28/ps_mipt/
5. https://scientificrussia.ru/articles/uchenye-prevratili-kubit-v-o
6. http://www.popmech.ru/science/282742-uchyenye-prevratili-kubit-v-odnofotonnyy-izluchatel/
Публикации
1. Гуртовой В.Л., Экзерчос М., Антонов В. Н., Никулов А. В., Тулин В. А. Multiple superconducting ring ratchets for ultrasensitive detection of non-equilibrium noises Applied Physics Letters, Volume 109, Issue 3, Article number 032602 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1063/1.4958731
2. Пэн З. Х., Де Грааф С. Е., Цай С. Я., Астафьев О. В. Tuneable on-demand single-photon source in the microwave range Nature Communications, 7, 12588 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1038/ncomms12588
3. - Ученые создали для квантового компьютера однофотонный излучатель Планета сегодня. Новости, DOI: 10.1038/ncomms12588 (год публикации - )
4. - New Microwave Device Produces Single, Tunable Photons. Contributor Daniel Oberhaus. Vice, DOI: 10.1038/ncomms12588 (год публикации - )
5. - New single-photon microwave source developed Quantum Physics news, DOI: 10.1038/ncomms12588 (год публикации - )
6. - Физики из России превратили квантовый бит в "светофор" для света РИА Новости - события в России и мире. Новости науки, 27 октября, Москва., DOI: 10.1038/ncomms12588 (год публикации - )
7. - Из сверхпроводящего кубита создан однофотонный излучатель Полит.ру, DOI: 10.1038/ncomms12588 (год публикации - )
8. - Ученые превратили кубит в однофотонный излучатель Научная Россия, DOI: 10.1038/ncomms12588 (год публикации - )
9. - Учёные превратили кубит в однофотонный излучатель Популярная Механика, DOI: 10.1038/ncomms12588 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проект РНФ «Фотоника в микроволновом диапазоне для квантовой информатики и квантовой электроники на чипе» (2016–2018 гг.) выполняется научным коллективом лаборатории Искусственных Квантовых Систем (ИКС) МФТИ под руководством проф. Астафьева О.В.
Основная задача второго года проекта - изготовление, характеризация и измерения источников одиночных фотонов, а также изготовление и тестирование элементов детекторов слабого микроволнового излучения. В соответствии с заявленным планом в 2017 г. были выполнены следующие работы:
1. По разработанному ранее рецепту изготовлены образцы источников одиночных фотонов.
2. На чипах с источниками фотонов проверены тестовые структуры, подходящие образцы загружены в криостат.
3. При помощи микроволновых измерительных техник, разработанных и отлаженных ранее, детально измерены спектры источников фотонов, проведена оценка времени релаксации кубита в сигнальную линию (то есть, время излучения фотона), показана перестройка частоты излучения магнитным полем в широком диапазоне частот.
4. Проведены измерения комплексного коэффициента отражения слабого резонансного сигнала, распространяющегося по сигнальной линии образца. Проведена оценка полной эффективности источника.
5. При помощи ранее разработанных схем импульсных измерений, измерены Раби-осцилляции кубита по выходному излучению. Проведена калибровка амплитуды и фазы пи-импульса, необходимого для генерации фотона.
6. Измерены временные профили излучаемых фотонов, которые соответствуют теоретическим.
7. Разработана схема и проведены измерения корреляционных функций 1-го и 2-го порядков.
8. Отработаны технологические маршруты изготовления наноструктур из тонких сверхпроводящих пленок (с толщинами 5-40 нм) с малой сверхпроводящей щелью.
9. Из пленок изготовлены наноструктуры малой ширины, для структур с различными геометрическими характеристиками измерены зависимости критического тока и сопротивления от температуры образцов. Отобраны материалы и структуры, пригодные для изготовления детектора.
10. Разработан и отрисован дизайн детектора слабого микроволнового излучения, изготовлены образцы детекторов.
Благодаря финансовой поддержке гранта РНФ, опубликовано 4 научные работы, из них 2 в высокоцитируемых научных журналах с IF>12.
Публикации
1. A.Ю. Дмитриев, А. Кореньков., О.В. Астафьев Scattering spectroscopy of a superconducting artificial atom coupled to two half spaces JETP Letters, Volume 105, Issue 2, pp 110–113 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0021364017020072
2. А.А. Бурлакова, А.В. Черныха, В.Л. Гуртовой, А.И. Илина, Г.М. Михайлова, А.В. Никулов, В.А. Тулин Quantum periodicity in the critical current of superconducting rings with asymmetric link-up of current leads Physics Letters A, Volume 381, Issue 30, Pages 2432-2438 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.physleta.2017.05.038
3. А.Ю. Дмитриев, Р. Шайхайдаров, В.Н. Антонов, Т. Хонигл-Декринис, О.В. Астафьев Quantum wave mixing and visualisation of coherent and superposed photonic states in a waveguide Nature Communications, 8, 1352 (2017) (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1038/s41467-017-01471-x
4. Владимир Л. Гуртовой, Владимир Н. Антонов, Алексей В. Никулов, Раис С. Шайхайдаров и Вячеслав А. Тулин Development of a Superconducting Differential Double Contour Interferometer Nano Letters, 17 (11), pp 6516–6519 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01602
5. - Электромагнитные волны впервые смешали на искусственном атоме Полит.ру, Nature Communications 8, 1352 (2017) (год публикации - )
6. - Quantum wave mixing and visualisation of coherent and superposed photonic states in a waveguide Информационный портал Royal Holloway, University of London, Nature Communications 8, 1352 (2017) (год публикации - )
7. - Российские физики впервые смешали свет на искусственном атоме Научно-популярное издание "N+1", Nature Communications 8, 1352 (2017) (год публикации - )
8. - Смешение электромагнитных волн в искусственном атоме поможет квантовой электронике Научно-популярный мультимедийный портал, Nature Communications 8, 1352 (2017) (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 году получены интересные и значимые научные результаты.
1. Был проведен расчет схем из двух связанных сверхпроводящих кубитов, получены численные расчеты спектров с расщеплением уровней связанных кубитов в резонансе.
2. Согласно отработанным ранее технологическим маршрутам, изготовлены образцы с двумя связанными кубитами и резонатором.
3. При помощи техники двухтоновой спектроскопии, экспериментально получены спектральные линии с антипересечением уровней, что говорит об успешной реализации взаимодействия кубитов.
4. Предложены эффективные способы генерации двух микроволновых фотонов с использованием двух кубитов, встроенных в микроволновую линию.
5. Изготовлены и изучены образцы детекторов слабого микроволнового излучения на основе узкозонного сверхпроводника, обнаружен фотоотклик на частотах, превышающих ширину сверхпроводящей энергетической щели.
6. В качестве важного подготовительного шага к экспериментальному осуществлению взаимодействия двух распространяющихся фотонов, проделан и объяснен эксперимент, реализующий нелинейное рассеяние резонансных сигналов на одиночном сверхпроводящем кубите.
7. Проведено теоретическое описание полученных в п. 6 результатов, экспериментальные данные хорошо объясняются при предположении, что двухуровневая система взаимодействует с двумя классическими полями в режиме сильной связи, и переизлучает сигнал в ту же открытую линию. Показано, что полученные результаты объясняются многофотонными процессами нелинейного смешивания когерентных состояний. Эти процессы могут быть перспективными для определения фотонной статистики сигналов, это направление предлагается развить в дальнейших работах.
8. Предложены концепции экспериментов и разработаны дизайны образцов, где излучение от однофотонного источника заводится на пробный кубит с целью его характеризации, в частности, получения информации о фотонной статистике.
По версии РНФ, публикация "Quantum wave mixing and visualisation of coherent and superposed photonic states in a waveguide", созданная в рамках данного проекта, признана лучшей работой в области "Физика": http://rscf.ru/ru/node/2784
Результаты проекта широко освещались в российских и зарубежных СМИ, например:
1) РИА Новости: https://ria.ru/science/20180605/1522094160.html?referrer_block=index_archive_1
2) N+1: https://nplus1.ru/news/2018/06/05/quantum-2d-phonon-cavity
3) "Чердак": https://chrdk.ru/news/v-mfti-razrabotali-kontceptciyu-akusticheskikh-kvantovykh-kompyuterov
4) Наука и Жизнь: https://www.nkj.ru/news/33908/
5) ChemEurope: http://www.chemeurope.com/en/news/1156376/researchers-couple-artificial-atom-to-acoustic-resonator.html?WT.mc_id=ca0066
6) Phys.org: https://phys.org/news/2018-07-couple-artificial-atom-acoustic-resonator.html
7) Primeur Magazine: http://primeurmagazine.com/weekly/AE-PR-08-18-70.html
8) EurekAlert: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-07/miop-rca071118.php
Публикации
1. Болгар А.Н., Зотова Ю.И., Кириченко Д.Д., Беседин И.С., Семенов А.В., Шайхайдаров Р. Ш., Астафьев О. В. Quantum Regime of a Two-Dimensional Phonon Cavity Physical Review Letters, 120, 223603 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.223603
2. Пелтонен И.П., Комо П.C.Дж.Дж, Пенг З.Х., Клапвайк Т.М., Цай Дж.Ш., Астафьев О.В. Hybrid rf SQUID qubit based on high kinetic inductance Scientific Reports, 8, 10033 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1038/s41598-018-27154-1
3. Х. З. Пенг, Х. Дж. Дин, Ю. Чжоу, Л. Л. Ин, З. Ван, Чжоу Л., М. Л. Куанг Ю-Си Лю, О. В. Астафьев, С. Я. Цай Vacuum-induced Autler-Townes splitting in a superconducting artificial atom Physical Review A, 97, 063809 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.97.063809
4. Хёнигль-Декринис Т., Антонов И.В., Шайхайдаров Р., Антонов В.А., Дмитриев А.Ю., Астафьев О.В. Mixing of coherent waves in a single three-level artificial atom Physical Review A, 98, 041801(R) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.041801
5. - Физики из России и Британии создают "звуковой" квантовый компьютер РИА Новости, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 (2018) (год публикации - )
6. - Звуковой чип для квантового компьютера Наука и Жизнь, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 (2018) (год публикации - )
7. - В МФТИ разработали концепцию акустических квантовых компьютеров Чердак, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 (2018) (год публикации - )
8. - Researchers couple artificial atom to acoustic resonator ChemEurope, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 (2018) (год публикации - )
9. - Researchers couple artificial atom to acoustic resonator Phys.org, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 (2018) (год публикации - )
10. - Researchers couple artificial atom to acoustic resonator EurekAlert, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 (2018) (год публикации - )
11. - Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ Индикатор, Nature Communications 8, 1352 (2017) (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Перспективы практического использования результатов проекта:
- Предложенный принцип генерации одиночных фотонов является новаторским (может быть запатентован), в то же время весьма прост в применении на практике и полностью совместим с технологией изготовления схем на основе сверхпроводящих кубитов, в т. ч. гибридных схем. Спектр применения источников одиночных фотонов весьма широк, в частности, включает в себя квантовую криптографию, квантовую информатику на основе микроволновых фотонов, абсолютную калибровку мощности сигналов, и активно развивающуюся область линейных оптических квантовых вычислителей, в т. ч. бозонных сэмплеров. Каждая из перечисленных технологий может обеспечить ключевое технологическое превосходство в сфере квантовых технологий и имеет хорошие перспективы коммерциализации. При этом, по каждому из этих направлений результаты проекта могут рассматриваться в качестве необходимого научного и технологического задела, задающего вектор дальнейшего развития данных направлений.
- Результаты, полученные в рамках работ проекта по созданию детектора слабого микроволнового излучения, могут быть расширены и доработаны, и результатом этой доработки может стать создание однофотонного детектора микроволнового диапазона, что станет действительно прорывным достижением в микроволновой фотонике с точки зрения возможных применений такого детектора. Эффективное детектирование одиночного фотона позволит проектировать различные квантовые схемы, реализовывать протоколы квантовой криптографии, т. е. кодировать и передавать квантовую информацию при помощи микроволновых фотонов. Это может значительно расширить российский или даже мировой рынок квантовых технологий.
- Предложенный и проведенный в ходе выполнения проекта эксперимент по нелинейному смешиванию света на одиночном сверхпроводящем кубите оказался весьма многообещающим с точки зрения возможного детектирования фотонной статистики микроволновых сигналов. Данный подход может быть доведен до эксперимента, демонстрирующего определение фотонной статистики квантового сигнала, что будет являться совершенно новым способом определения фотонной статистики. Подобный детектор, безусловно, будет иметь научную, и возможно коммерческую ценность.