Ридберговские атомы для квантового компьютера

Институт физики полупроводников СО РАН проводит экспериментальные исследования атомов в высоковозбужденных состояниях. Ожидаемое практическое их применение – в качестве быстрых логических ключей квантового компьютера.

Начало квантовой информатики связано с именами российского математика Юрия Манина и американского физика Ричарда Фейнмана, которые три десятилетия назад предложили использовать квантовые системы (группы микрочастиц с дискретным набором состояний) для вычислений применительно к моделированию молекулярной динамики и квантовых явлений.

Как базовый пример квантового вычислителя (компьютера) рассмотрим систему, состоящую из множества квантовых объектов, для каждого из которых возможны только два состояния, условно соотносящиеся с логическими значениями «ноль» и «единица». Такие объекты называют квантовыми битами, или кубитами, а состоящую из них систему – квантовым регистром. Классический бит в каждый момент времени достоверно находится только в одном из них, а кубит ведет себя так, как будто находится в обоих состояниях одновременно, поэтому можно говорить лишь о вероятности найти его в каждом состоянии.

Если кубиты взаимодействуют друг с другом, то их состояния оказываются перепутанными, и тогда измерение состояния одного кубита мгновенно изменяет состояние всех остальных. Возникающие вследствие этого особенности квантовых вычислений (например, параллелизм) определяют феноменальное превосходство квантового компьютера в решении некоторых математических задач, недоступных для традиционных ЭВМ (например, используемое в современной криптографии разложение очень больших чисел на простые множители или поиск в огромном неупорядоченном массиве данных).

Первые простейшие квантовые вычисления были продемонстрированы на органических молекулах с использованием техники ядерного магнитного резонанса в жидкости. Однако твердотельная основа квантового вычислителя легче реализуема, да и представляется наиболее естественной. На сегодняшний день в реализации простых квантовых алгоритмов наибольшие успехи достигнуты с одиночными ионами в электростатических ловушках. Однако подобным образом создать квантовый регистр большой емкости довольно трудно, поскольку заряженные ионы постоянно взаимодействуют друг с другом, а также с окружающими частицами, что способствует декогерентизации, т. е. разрушению квантового регистра.

Более перспективным в качестве кубитов квантового компьютера видится использование одиночных электронейтральных атомов. Пара долгоживущих подуровней сверхтонкой структуры основного состояния атома может играть роль двух состояний кубита, пригодных для длительного хранения информации. Управление квантовым состоянием может осуществляться последовательностью лазерных импульсов, а захваченные в созданную лазерным излучением оптическую решетку нейтральные атомы способны образовать квантовый регистр практически любого размера. Главное же их преимущество – возможность управлять межатомным взаимодействием путем лазерного возбуждения на высокоэнергетичные уровни. Высоковозбужденные состояния атома, называемые ридберговскими, обладают целым рядом уникальных свойств, включая большие времена жизни и способность чувствовать друг друга на значительном расстоянии. Переводя атомы из основного состояния в ридберговское и обратно, мы можем включать и выключать их взаимодействие.

Значительных успехов в реализации квантовых логических операций с отдельными атомами достигла группа ученых из американского университета Висконсин-Мэдисон, которым удалось выполнить инверсию состояния атома, что соответствует самой важной для построения универсального квантового компьютера управляемой операции «логическое отрицание» (Controlled logical NOT). Длительность последовательности лазерных импульсов, необходимых для ее выполнения, составила 7 мкс. Однако полный экспериментальный цикл (включающий подготовку кубитов и регистрацию состояний) длился около секунды, а это значит, что классический компьютер пока остается более быстродействующим.

Вопросами практической реализации квантовых вычислений в России занимаются ученые из Института физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск). Они проводят эксперименты с ультрахолодными атомами рубидия, для возбуждения которых в ридберговское состояние применяют лазеры с высокой частотой следования импульсов. Среди приоритетных достижений лаборатории следует отметить наблюдение электрически управляемого резонансного диполь-дипольного взаимодействия атомов. Здесь также разработана методика высокоскоростной регистрации числа атомов, возбуждаемых под воздействием каждого лазерного импульса в серии, независимо от остальных. С ее помощью планируется наблюдать эффект дипольной блокады, суть которого состоит в том, что при лазерном возбуждении ансамбля сильно взаимодейст­вующих атомов только один его атом может перейти в ридберговское состояние. Это можно использовать для разработки квантовых схем быстрых логических ключей, поэтому в ближайшее время планируется детальное изучение этого эффекта.

Следующим этапом исследований должна стать реа­лизация двухкубитового квантового фазового ключа в пространственно разнесенных дипольных ловушках. Ожидается, что в ходе этих экспериментов будет наблюдаться инверсия фазы композитной волновой функции, что необходимо для выполнения операции управляемого логического отрицания.

Задача реализации вычислений на квантовых компьютерах потребует еще немало усилий от ученых всего мира, но ее решение способно привести к значительному прогрессу не только в физике, математике, информатике, но и в науке в целом.

Литература

Манин Ю. И. Вычислимое и невычислимое. М.: Советское радио. 1980. 128 с.

Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Ижевск: РХД. 2001. 352 с.

Jaksh D., Cirac J. I., Zoller P., Rolston S. L. et al. Quantum Gates for Neutral Atoms // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. P. 2208.

Ryabtsev I. I., Tretyakov D. B., Beterov I. I., Entin V. M. Observation of the Stark-tuned Forster resonance between two Rydberg atoms // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. P. 073003.

Работа выполнена при поддержке грантов Президента РФ (MK-6386.2010.2), РФФИ (10-02-92624, 09-02-90427, 10-02-00133), РАН и фонда «Династия»