Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Предложены три набора квантовых уровней иона 171Yb+, удовлетворяющих требованиям по времени жизни, для осуществления на них осцилляций Раби под действием резонансного для конкретного перехода лазерного поля. В первом способе используются сверхтонкие подуровни основного состояния 2S1/2 (F=0) и 2S1/2 (F=1), а также более короткоживущее состояние 2D3/2(F=1) с временем жизни порядка 50 мкс. При таком способе определения уровней предполагается резонансное возбуждение переходов источниками электромагнитного излучения с частотами 12.6 ГГц и 4.33ПГц. При втором способе определения задействуются подуровни уровня 2F7/2 и основное состояние 2S1/2. Здесь резонансное возбуждение переходов создается источниками электромагнитного излучения с частотами 3.6 ГГц и 4.03ПГц. Третий способ реализуется на сверхтонких подуровнях основного состояния 2S1/2 (F=0) и 2S1/2 (F=1) и подуровне уровня 2F7/2 (F=3). Для резонансного возбуждения переходов используются источники электромагнитного излучения с частотами 12.6 ГГц и 4.03ПГц. Для указанных наборов уровней был проведен теоретический расчет характеристик ввода- вывода квантовых мемристоров (по-отдельности) на захваченном ионе Yb+ для конкретных значений частот Раби и параметров лазерных импульсов. Установлено, что наибольшее отношение максимального значения выходного сигнала к его минимальному значению достигается при соотношении частот Раби, задающих осцилляции населенности связанных уровней, равном 1:10. Разработано два кардинально отличающихся подхода к созданию связанных квантовых мемристоров: использование различных наборов уровней, соответствующих различным мемристорам, на одном ионе; использование двух мемристоров в ловушке Пауля, связанных колебательными модами. Продемонстрировано успешное управление характеристиками связанных мемристоров в обоих подходах. Разработана схема реализации обратной связи и установлены основные требования к ее параметрам. Показано, что предложенная схема обратной связи позволяет добиться высокой вероятности воспроизведения характеристик квантового мемристора на захваченном ионе Yb+. В части подготовки к экспериментальной реализации квантового мемристора мы разработали и создали ионную ловушки, в которую можно захватывать как одиночные ионы иттербия, так и их цепочки. Ионы мы получаем из атомарного источника методом двухфотонной лазерной фотоионизации непосредственно в области захвата ловушки, что позволяет захватывать нужный изотоп селективно. Уровень вакуума в вакуумной камере составляет менее 10Е-10 мбар, что позволяет удерживать ионы без перезагрузки на протяжении десятков минут. Отметим, что экспериментальная реализация квантового мемристора требует глубокой подготовки: ионы необходимо сначала охладить на широком атомном переходе до температур, близких к доплеровскому пределу. Поскольку мы работаем с изотопом иттербия-171, у которого ненулевой спин ядра, это требует связывания всех сверхтонких подуровней перехода на длине волны 369 нм, на котором происходит доплеровское охлаждение. Мы это реализовали при помощи электрооптических модуляторов. После первого этапа охлаждение необходимо компенсировать микродвижения иона в ловушке, которые возникают на частоте ловушки в случае, когда ион находится не точно на ее оси. На данном этапе компенсация была реализована по наблюдению смещения иона в двух проекциях на камере при изменении напряжения на электродах ловушки. Для определения темпов нагрева и температуры иона в конце этапа доплеровского охлаждения мы использовали метод анализа затухания осцилляций Раби на квадрупольном переходе на длине волны 435 нм. Этот метод был предложен нашей группой ранее. Измеренные значения температуры и темпов нагрева составили 1,5 мК и 200 фононов/с, соответственно. Параллельно мы ведем разработку планарных ионных ловушек для решения задачи масштабирования квантовых мемристоров для их дальнейшего применения в задачах нейроморфных вычислений. На данный момент мы рассчитали, разработали и изготовили несколько образцов первого прототипа планарной ионной ловушки.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном году продолжались исследования по реализации и изучению квантовых мемристоров (КМ) на одиночном ионе иттербия-171. Основной целью являлась разработка методов создания связанных КМ на одном ионе для использования в масштабируемых квантовых нейроморфных системах. На основе богатой системы энергетических уровней иона были предложены три схемы реализации КМ. Они используют различные наборы сверхтонких подуровней и возбуждённых состояний, такие как 2S1/2, 2D3/2 и 2F7/2. Все схемы могут быть попарно связаны через общие энергетические уровни, что позволяет реализовать на одном ионе до двух связанных КМ одновременно. Проведено численное моделирование динамики населённостей для пятиуровневой системы, возбуждаемой последовательностью резонансных лазерных импульсов. Показана возможность передачи населённости между двумя КМ. При введении обратной связи получены гистерезисные зависимости «выход–вход», подтверждающие мемристивные свойства. КМ были протестированы в качестве классических мемристоров в задаче классификации рукописных цифр MNIST. На основе извлечённых из гистерезисов весов были построены полносвязные нейронные сети. Точность классификации для всех моделей составила 91–92%, что соответствует эффективности «идеальных мемристоров». Связанные КМ показали производительность, сравнимую с одиночными, что подтверждает их пригодность для масштабируемых архитектур. В рамках экспериментальных работ разработана ультрастабильная лазерная система на длине волны 435 нм, стабилизированная через высокодобротный оптический резонатор. Создана также лазерная система на 467 нм с привязкой частоты с помощью фемтосекундной гребенки оптических частот. Продемонстрирована передача стабильности с девиацией Аллана 3,6×10^–15 при времени усреднения 1 с. Разработана новая трёхмерная линейная ловушка Пауля с секулярной частотой до 1,5 МГц. Реализована компенсация микродвижений ионов с точностью установки компенсирующих напряжений 0,5 мВ. Достигнуто глубокое лазерное охлаждение на квадрупольном переходе 435 нм до среднего колебательного числа <n>=0,16. Исследованы прототипы планарных ловушек на различных подложках. Определено, что для последующих экспериментов предпочтительна подложка из нитрида кремния с золотыми контактами и увеличенным до 100 мкм расстоянием до иона. Проведено аналитическое исследование динамики трехуровневой системы под действием двух временно разделённых лазерных импульсов. Получены явные выражения для входного и выходного сигналов КМ. Показано, что система демонстрирует гистерезисную зависимость даже при временном разделении импульсов. Разработанный математический аппарат позволяет переносить алгоритмы, созданные для фотонных КМ, на ионную платформу.