Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект нацелен на создание масштабируемых гетероядерных квантовых регистров на основе ультрахолодных нейтральных атомов – это уникальная и перспективная платформа для многочастичной квантовой запутанности. В ходе реализации проекта российским научным коллективом были проведены подготовительные работы для проведения экспериментов по получению квантово-перепутанных состояний нейтральных атомов в прецизионно управляемых условиях и теоретические работы по разработке оригинальных схем многокубитовых вентилей на основе гетероядерных взаимодействий ридберговских атомов друг с другом. Кроме того, был инициирован поиск перспективных квантовых алгоритмов, которые могут быть реализованы с использованием атомных систем. Совместно с компанией CAS Cold Atom разработана уникальная стеклянная ячейка с электродами, предназначенна для проведения экспериментов по лазерному охлаждению атомов рубидия, их захвату в массивы оптических дипольных ловушек и лазерному возбуждению в ридберговские состояния с использованием трехфотонной или двухфотонной схемы возбуждения, в условиях прецизионного контроля электрических полей с помощью установленных внутри ячейки восьми электродов в кольцевой конфигурации. Для проведения экспериментов с разработанной стеклянной ячейкой оптимизирована оптическая схема объектива, предназначенного для фокусировки излучения дипольной ловушки через стекло ячейки заданной толщины, а также для фокусировки излучения лазеров, возбуждающих ридберговские состояния. Разработаны программы для генерации фазовых масок для создания массивов оптических дипольных ловушек с индивидуальным управлением интенсивностью отдельных ловушек. Разработаны программы для описания динамики коллективных состояний системы ультрахолодных атомов различных химических элементов, взаимодействующих с лазерным излучением в схеме наблюдения электромагнитно-индуцированной прозрачности и друг с другом. Используемая математическая модель опирается на приближение, что взаимодействие контролирующего атома цезия с контролируемым атомом рубидия имеет вид резонансного диполь-дипольного взаимодействия, в то время как взаимодействие контролируемых атомов друг с другом описывается взаимодействием Ван-дер-Ваальса. Разработанные программы позволили провести расчеты динамики коллективных состояний системы, состоящей из одного контролирующего атома и четырех контролируемых, что важно для реализации поверхностных кодов квантовой коррекции ошибок. Большой интерес представляет параллельное выполнение двухкубитовых и многокубитовых вентилей в квантовом регистре достаточно большого масштаба. В то же время, в регулярных двухмерных квантовых регистрах на основе нейтральных атомов параллельная реализация двухкубитовых вентилей с использованием лазерного возбуждения в ридберговские состояния затруднена невозможностью выделить отдельные пары взаимодействующих атомов. Для решения этой проблемы может быть использован когерентный транспорт атомов – их перемещение в пространстве с помощью акустооптического дефлектора, не разрушающее квантовых суперпозиций логических состояний атома. Мы рассмотрели вариант реализации квантовых вентилей на основе электромагнитно-индуцированной прозрачности с использованием атомов различных химических элементов в конфигурации, когда атомы цезия помещены в подвижный квантовый регистр, формируемый с помощью акустооптического дефлектора, а атомы рубидия – в неподвижный квантовый регистр, формируемый с помощью пространственного модулятора света. Было проведено численное моделирование последовательной реализации двухкубитовых вентилей, позволяющих приготовить перепутанные состояния атомов для реализации поверхностного кода коррекции ошибок, с точностью одного двухкубитового вентиля выше 98%. Для подавления декогерентизации большую ценность представляет использование поверхностных кодов. Такие поверхностные коды требуют использования вентилей вида CNOT4, которые в оригинальной работе было предложено реализовать с помощью эффектов дипольной блокады и электромагнитно-индуцированной прозрачности. Реализация этого предложения затрудняется взаимодействием контролируемых атомов друг с другом. Мы предложили использовать гетероядерное взаимодействие атомов различных химических элементов для увеличения различия между энергией взаимодействия контролирующего атома с контролируемым, и контролируемых атомов друг с другом. Мы провели численные расчеты, которые показали, что можно реализовать многокубитовый вентиль CNOT4 с точностью выше 99,3% для умеренных значений частоты Раби излучения (125 МГц), связывающего промежуточное возбужденное состояние и ридберговское. Трудность обеспечить большие частоты Раби для перехода в ридберговские состояния является одним из важных препятствий для выполнения многокубитовых вентилей на основе электромагнитно-индуцированной прозрачности. Мы показали, что использование асимметричного резонансного диполь-дипольного взаимодействия между контролирующим и контролируемым атомами (например, атомами различных химических элементов) в сочетании с взаимодействием Ван-дер-Ваальса для нескольких контролируемых атомов позволяет повысить точность многокубитовых вентилей, что представляет значительный интерес для экспериментальной реализации. В рамках проекта ведется поиск перспективных квантовых алгоритмов, которые могут быть реализованы с использованием разрабатываемых атомных систем. Задача коммивояжера относится к NP-трудным задачам оптимизации. Это делает ее интересной для решения с использованием квантовых компьютеров. В последнее время интерес к таким оптимизационным задачам значительно вырос в связи со значительным прогрессом в экспериментальной реализации квантовых процессоров и демонстрации квантового превосходства. Подобный класс NP-трудных задач интересен как для демонстрации квантового превосходства в различных физических системах, так и для практических приложений, например, маршрутизации. На основе задачи коммивояжера были разработаны различные методы дискретной оптимизации. Мы реализовали квантовый алгоритм решения задачи коммивояжера с использованием программной библиотеки IBM Qiskit. Фотография экспериментальной установки российской группы была опубликована на обложке апрельского номера журнала «Природа» https://priroda.science/index.php/priroda/issue/view/43.