News

12 February, 2024 15:03

Олег Астафьев: «Квантовая акустика появилась благодаря сверхпроводниковым искусственным атомам»

Квантовые технологии — наше фантастическое будущее? О том, заменит ли электроника, работающая с одиночными квантами (фотонами, фононами, элементарным зарядом), привычную нам классическую и какой вклад в нее внесут новейшие технологии, рассказывает грантополучатель РНФ Олег Астафьев, профессор Сколтеха, заведующий лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ.
Олег Астафьев, профессор Сколтеха, заведующий лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ. Источник: Пресс-центр МФТИ
— Олег Владимирович, вы занимаетесь технологиями, о которых многие говорят и от которых ждут  технологического прорыва.  

Наша лаборатория ведет исследовательскую работу по нескольким важным направлениям, но при этом можно выделить основное и объединяющее — это квантовая оптика на сверхпроводниковых квантовых системах. В этом направлении у нас было реализовано два проекта при поддержке РНФ. 

Первый занял пять лет и был посвящен исследованиям в области фотоники на искусственных атомах. Например, мы изучали новый эффект — квантовое волновое смешение на чипе — и продемонстрировали новые необычные результаты, которые не были показаны в традиционной квантовой оптике. 

Второй — совместный российско-китайский проект с Natural Science Foundation of China (NSFC), где с китайской стороны участвовали ведущие университеты: Tsinghua University, University of Science and Technology (USTC) и Hunan Normal University. В рамках этого проекта мы продолжали развивать тему сверхпроводниковых квантовых систем, но с упором на новые подходы для применении в квантовых компьютерах. Мы исследовали квантовую акустику, которая позволит уменьшить элементы сверхпроводниковых схем благодаря значительно меньшим длинам акустических волн по сравнению с электромагнитными; квантовую спинтронику для оптимизации свойств так называемых потоковых кубитов; исследовали пути реализации других перспективных потоковых кубитов. Итогам нашей работы были посвящены две конференции в Китае в прошлом году. Это значимый и весьма продуктивный проект. 

— Что такое сверхпроводниковые квантовые системы? Почему их называют искусственными атомами? Чем они похожи на реальные, а в чем отличие? А главное, в чем их преимущества?

Сверхпроводниковые квантовые системы — это миниатюрные металлические структуры, работающие при очень низких температурах. С уменьшением размеров существенную роль начинают играть квантование заряда (элементарный заряд в сверхпроводнике — это куперовская пара — пара связанных электронов — прим. ред.) и квантование магнитного потока. Ключевым элементом схемы является маленький джозефсоновский переход (джозефсоновский переход — это туннельный барьер для куперовских пар — прим. ред.) с размерами 100 нанометров и меньше. Такие системы называют искусственными атомами, потому что они имеют набор уровней энергии, как и в естественных атомах. Таким образом, если «посветить» на них электромагнитной волной на частотах переходов, то можно увидеть поглощение и переизлучение — почти так же, как и в естественных атомах.  

Хочу подчеркнуть, что наши структуры — это не квантовые точки, хотя у них есть общие физические принципы, например квантование заряда в наноструктурах. Но в сверхпроводниковых структурах высокие времена когерентности, так как сверхпроводимость проявляется в первую очередь как протекание тока без диссипации. Квантовые точки тоже иногда называют искусственными атомами, но я буду говорить именно о сверхпроводниковых системах. 

Наши структуры изготавливаются с помощью современных нанотехнологических методов, которые, в частности, развиты в Центре коллективного пользования МФТИ. Хоть искусственные атомы и похожи на естественные, они обладают рядом интересных необычных свойств. В первую очередь можно выделить легкодостижимую физически сильную связь между соседними искусственными  атомами, а также между атомами и другими элементами схемы. Это означает, что искусственный атом когерентно (без релаксации, потери информации) взаимодействует с соседними системами. Именно сильная связь помогает получать новые результаты, которые трудно (или вообще невозможно) реализовать на естественных атомах. Кроме того, мы можем изготовить устройство с заранее заданными свойствами, в отличие от естественных атомов, свойства которых заданы природой. Также они хорошо контролируются и управляются электрическими сигналами. 

После того как чип изготовлен, мы помещаем его в специальный держатель и подсоединяем линии управления. Затем устанавливаем его в специализированный криостат, охлаждаем его до температуры около –273,14 °С (0,01 К) — это всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля. После охлаждения мы исследуем систему, прикладывая СВЧ-излучение. 


Источник: Пресс-центр МФТИ

— Где эти атомы находят свое применение?

То, что сейчас на слуху, — это квантовые процессоры. Искусственные атомы можно использовать как квантовые биты — кубиты, если ограничиться приближением двух нижних уровней. На их основе можно строить интегральные схемы. Они имеют большие времена когерентности, а значит, информация в них долго сохраняется, есть высокая степень контроля, они управляются электрическими сигналами. Квантовые процессоры и их применение — это еще одна область нашей деятельности. 

Но нам в первую очередь интересна фундаментальная физика. Искусственные атомы сами по себе — интересные физические объекты. На искусственных атомах можно изучать явления квантовой оптики, ранее недостижимые на естественных атомах и на квантовых точках. Отличие наших систем еще и в том, что рабочие частоты лежат в СВЧ-диапазоне и излучение распространяется по коаксиальным кабелям. Мы используем СВЧ-технику и приборы. 

На основе наших искусственных атомов мы делаем высокоэффективные (выше 90%) перестраиваемые источники фотонов по требованию. Такой источник — мечта тех, кто работает в традиционной квантовой оптике. Наши источники работают в СВЧ-диапазоне, а длинноволновые фотоны распространяются по линиям на чипе и в коаксиальных кабелях. С помощью таких устройств мы изучаем взаимодействие одиночных фотонов и неклассических полей с другими искусственными атомами и окружением. Взаимодействие излучения (классического и неклассического) с идеальной квантовой системой — одно из важных направлений нашей лаборатории. По этой тематике у нас уже опубликовано несколько работ.

Другое интересное направление — эффект когерентного квантового проскальзывания фаз в нанопроволочках. Это очень фундаментальный эффект сверхпроводимости. Недавно нами было показано квантование тока под действием СВЧ-излучения. Этот эффект был предсказан 30 лет тому назад и требовал экспериментального подтверждения. Нам удалось показать появление ступенек по току, индуцированных СВЧ. Это одно из последних неподтвержденных фундаментальных явлений в сверхпроводимости. Результат очень важен для применений, так как он будет основой для создания метрологических стандартов тока. Кроме того, это позволит замкнуть метрологический треугольник: напряжение — сопротивление — ток. Квантовый стандарт напряжения давно работает на нестационарном эффекте Джозефсона; стандарт сопротивления тоже существует и основан на квантовом эффекте Холла. Наш эффект — это нестационарный эффект когерентного квантового проскальзывания фазы. Каждая из этих величин выражается через две другие, и можно независимо проверить точность каждого стандарта. Кстати, за первые два эффекта были получены Нобелевские премии. 

Источник: Пресс-центр МФТИ

— Какие направления для вас — самые интересные? 

Например, квантовая акустика, весьма перспективная область для изучения новых явлений и реализации новых устройств. Квантовая оптика работает с фотонами, которые переносят электромагнитное излучение (квантовая оптика занимается изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света — прим. ред). В нашем случае сам термин  «квантовая акустика» как реальное направление появился совсем недавно. Она в целом похожа на квантовую оптику, но здесь излучение переносят фононы — кванты колебания кристаллической решетки. Можно сказать, что это кванты звука, хоть звук, о котором мы говорим, и находится за пределами слышимости человеческого уха. 

В рамках проекта РНФ мы изучали взаимодействие искусственного атома с акустическим резонатором на поверхностных волнах. Нам удалось выиграть своеобразное соревнование с другими научными лабораториями, и мы первые продемонстрировали физически сильную связь сверхпроводниковых квантовых систем с поверхностными акустическими волнами. В качестве акустической среды использовался кристалл кварца — пьезоэлектрик, который позволяет конвертировать электромагнитные волны в акустические, и наоборот. 

В наших планах разработка нового устройства — акустического лазера. Обычный лазер имеет аббревиатуру LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «усиление света за счет вынужденного излучения». В акустическом устройстве Light — свет будет заменен на Sound — звук. Таким образом, устройство должно будет называться SASER. С точки зрения фундаментальной физики это очень интересно. 

В общем, мы работаем над новой физикой, где вместо электромагнитных волн используются акустические. Эти опыты мы проводили в рамках совместного с Китаем проекта. 

— Технологии фотоники развивались еще с 60-х годов прошлого столетия. Изобретенный лазер нашел применение в тысячах приложений, но они так и не заменили электронику. Ожидается ли сейчас революционный прорыв?

Я бы не стал говорить о какой-то революции. Кремний, так и останется востребованным материалом в электронных приборах. Современные физические лаборатории исследуют новые направления с высоким потенциалом. Что-то может найти применение, но в любом случае в результате исследований будет получено новое знание, которое в дальнейшем приведет к новым открытиям и применениям. Нам интересна новая фундаментальная физика. Также мы много времени уделяем квантовым компьютерам. 

— Квантовый компьютер — очень интересная для всех тема, которая постепенно обрастает все большим количеством легенд. На каком этапе находятся ваши разработки? 

Совсем недавно мы разработали и изготовили первый в России 12-кубитный сверхпроводниковый квантовый процессор и уже провели его тестирование на решении задач машинного обучения. Следующий этап — нарастить интеграцию до 16 кубитов по той же технологии, что повысит его эффективность.

— Перевернет ли нашу реальность ввод в применение квантовых компьютеров? 

Квантовые компьютеры, даже когда (и если) они полноценно заработают, не заменят обычные. Вычислительные устройства, принцип действия которых основан на явлениях квантовой механики, будут использоваться в специализированных задачах, где не столь эффективны классические. Это в первую очередь моделирование квантово-механических систем, например для квантовой химии, поиск новых материалов и расчета их свойств. Также традиционно говорят о задачах оптимизации с большим количеством параметров и криптографии.

Классический компьютер использует в качестве единицы информации бит, который принимает значения 0 или 1. Квантовый бит (кубит) способен находиться в состоянии их суперпозиции: быть 0 и 1 одновременно, что позволяет выполнять множество параллельных операций. Но состояние это очень неустойчивое. В отличие от классических битов, кубиты очень чувствительны к любым внешним воздействиям и шумам, и чтобы успеть выполнить достаточное количество операций до того, как информация будет потеряна, требуется дорогостоящее высокочастотное оборудование. 

— Избежать этих ограничений пока не представляется возможным? 

Пока нет. В целом же в этой области сейчас идут очень масштабные работы. Квантовые процессоры создают на базе различных технологий, и какая из них выстрелит и выстрелит ли в целом, до сих пор непонятно. Мы считаем, и многие во всем мире с этим согласны, что наиболее перспективной является технология сверхпроводниковых квантовых процессоров. В любом случае заниматься этим надо, так как, во-первых, эти исследования ведутся на грани современных возможностей, что ведет к развитию новых технологий. А во-вторых, как это не раз бывало, в результате поисков может возникнуть что-то новое в боковой ветви. 


Источник: Пресс-центр МФТИ

Олег Владимирович, вы перечислили достаточно масштабные проекты, но какое направление вам в целом больше интересно? 

Мне интересно заниматься фундаментальной физикой. Зачастую применения результатов наших исследований неочевидны поначалу, но мы готовим платформу для передовых решений. Учеными в области фундаментальной физики в первую очередь движет интерес: как это работает, что это такое…

Из самых интересных направлений для меня очень привлекательна разработка лазера в акустическом диапазоне. Это действительно неожиданная и красивая вещь. Но он также не заменит уже привычный нам лазер в электромагнитном диапазоне, а добавит нам знаний и, возможно, приведет к разработке полезных инструментов для будущих устройств. 

Но есть и другие интересные проекты. Например, детекторы одиночных фотонов в СВЧ-диапазоне. Такие детекторы важны для фундаментальных исследований и квантовой информатики. Также считается, что они необходимы для проекта по обнаружению темной материи.

— А она что, все же существует? 

Это не мне судить, но не вижу причин не соглашаться с учеными, работающими в других областях. Существуют теории, которые предсказывают, что частицы темной материи могут конвертироваться в СВЧ-фотоны в сильном магнитном поле. Для таких фотонов счетчик фотонов, который мы разрабатываем, будет, конечно, очень востребован. 

11 April, 2024
Сквозь кроличью нору к далеким квазарам
Космос полон тайн, но даже самые фантастические теории могут найти со временем научное подтвержден...
29 February, 2024
Вулкан как фабрика тепла. Геофизики предлагают новые способы электрификации городов
Вулканы уже сыграли неожиданную роль в истории человечества. Можно упомянуть провал реформ Бориса Го...