книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

во-механическим эффектам изаконам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов вединую вычислительную систему позволяет быстро решать те математические илифизические задачи, решение которых требуетнереального времени.

Ученые из РКЦ и МФТИ начали решать задачу управления множеством кубитов и их удержания в связанном состоянии путем уменьшения размера необходимой для вычислений системы.

Сейчас российские физики изучают возможность использования для вычислений не кубитов, а кудитов – квантовых объектов, в которых число возможных состояний составляет не один, как у кубитов, а два

можно использовать в качестве полноценного аналога двух кубитов, а восьмиуровневую квантовую систему – в качестве «спрессованного» набора из трех кубитов. По словам ученых, кудит с пятью уровнями уже можно использовать для проведения квантовых вычислений, например для сравнения большого количества чисел.

Сама идея использования многоуровневых систем (рис. 12.13) для эмуляции многокубитных процессоров была предложена ранее в работах российских физиков из Казанского физико-технического института. Так, например, для реализации двухкубитного алгоритма Дойча предлагалось использовать ядерный спин 3/2, имеющий четыре различных состояния.

Рис. 12.13. Многоуровневый кубит, созданный в МФТИ и РКЦ (© Пресс-служба МФТИ/QMQM. 2016)

351

Создание многокубитового квантового компьютера в России

«Российские ученые начали работу над созданием квантового компьютера», – рассказал глава направления информационных исследований Фонда перспективных исследований Сергей Гарбук. Начались работы по созданию нового компьютера, проект будет реализовываться в 2018–2021 гг. Многокубитный квантовый компьютер может появиться в России осенью 2021 г. Для создания квантового компьютера будут использованы две базовые технологии создания квантовых логических элементов: фотонные чипы и нейтральные атомы. Основным исполнителем проекта является центр компетенций Национальной технологической инициативы в области квантовых технологий. Он создан на базе МГУ.

Разработка квантовой памяти китайскими учеными

Группа физиков под руководством Ли Чуаньфэна из Китайского научно-технологического университета разработала уникальную квантовую память. Новое запоминающее устройство называется мультиплексной твердотельной квантовой памятью с множественными степенями свободы с возможностью работы в 12 режимах. Результаты эксперимента показывают, что во всех операциях памяти трехмерные квантовые состояния фотонов сохраняют точность приблизительно в 89 % случаев. Сейчас расстояние, на которое возможно надежно осуществлять квантовую телепортацию фотона, ограничивается сотней километров. Вариант с использованием устройства для хранения квантовой информации позволит обеспечить квантовую связь на большем расстоянии.

Неадиабатическиеи неабелевыголономные квантовые вентили

Физики японского Йокогамского государственного университета добились создания голономных квантовых вентилей при нулевом магнитном поле и при комнатной температуре. В опубликованной в журнале Nature Communications статье японские физики описали эксперимент, демонстрирующий так называемые неадиабатические и неабелевы голономные квантовые вентили (Phys.org). Геометрическая фаза, или фаза Берри – ключевой элемент квантовой физики. Голономный квантовый вентиль, манипулирующий геометрической фазой, считается идеальным способом создания отказоустойчивого универсального квантового компьютера. Вентиль геометрической фа-

352

зы, или голономный квантовый вентиль уже был экспериментально продемонстрирован в нескольких различных квантовых системах. Однако предыдущие эксперименты требовали манипуляций невырожденным подпространством, что приводило к нарушению точности из-за нежелательных помех динамической фазы. Для того чтобы избежать помех, ученые использовали вырожденное подпространство для создания идеального логического кубита. На основе этого метода в сочетании с поляризованными микроволнами они смогли управлять геометрической фазой в алмазе при нулевом магнитном поле при комнатной температуре. Недавно финские ученые доказали возможность использования для создания квантового компьютера кристаллы времени. Для этого они воспользовались сходством одного из типов кристаллов времени, так называемых майорановских кристаллов, с неабелевыми анионами, потенциальным компонентом квантового компьютера.

Фаза Берри – фаза, набегающая при прохождении квантово-меха- нической системой замкнутой траектории в пространстве параметров, когда система подвержена циклическому адиабатическому возмуще-

нию. Также называется геометрической фазой, топологической фазой или фазой Панчаратнама – Берри.

Список литературы

1.Валиев К.А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления //

УФН. – 2005. – Т. 175. – C. 3–39.

2.Кайе Ф., Лафламм Р., Моска М. Введение в квантовые вычисления / НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ин-т комп. исследо-

ваний. – М.; Ижевск, 2009. – 360 с.

3.Гринштен Дж., Зайонн А. Квантовый вызов. Современное исследование оснований квантовой механики: учеб. пособ. – Долгопрудный:

Интеллект, 2012. – 432 с.

4.A two-qubit logic gate in silicon / A.S. Dzurak, M. Veldhorst [et al.] // Nature. – 2015. – No. 526. – Р. 410–414.

5.Наука и предельная реальность: квантовая теория, космология

исложность / под ред. Дж. Барроу, П. Дэвис, Ч. Харпер мл.; НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ин-т комп. исследований. –

М.; Ижевск, 2013. – 664 с.

353

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования в области физических основ нанотехнологий фотоники и оптоинформатики ведутся очень интенсивно. Непрерывно появляются сообщения о новых материалах, новых устройствах и приборах, новых технологиях. Одним из направлений является исследование различных нелинейностей в периодических структурах и метаматериалах. Другим важным направлением являются исследования в области квантовыхтехнологийисозданияквантовогокомпьютераинейрокомпьютера.

Специально были рассмотрены технологии и устройства, которые находятся в стадии активной разработки ведущими конкурирующими лабораториями мира, такие как квантовые технологии и квантовые компьютеры на различных физических основах и устройства, которые уже созданы, напримерсолнечныебатареитретьегопоколениясвысокимКПД.

В настоящее время около 30 % валового национального продукта США производится на основе квантовой механики. Квантовая механика стремительнопревращаетсявинженернуюнауку, техникуитехнологию.

Быстроразвивающиеся NBIC-технологии (Nano – нанотехнологии), включая новые нанотехнологии фотоники и оптоинформатики (Bio – биотехнологии клеточные и молекулярные), (Inform – информационные технологии), (Cognito – технологии познания, искусственный интеллект), являются ключевыми технологиями. Они вносят решающий вклад в шестой технологический уклад и начинающуюся четвертую промышленную революцию в 20-х гг. XXI в., которая приведет нас в «новый дивный мир веществ и существ».

После Указа Президента РФ «О стратегии научно-технологи- ческого развития РФ» от 01.12.2016 г. правительством после 1 марта 2017 г. утвержден план мероприятий по реализации Указа «Дорожная карта» по восьми программам объемом 8 млрд руб.:

AutoNet – беспилотные авто;

AeroNet – беспилотные летательные аппараты; MarinNet – морские интеллектуальные системы; EnergyNet – умная энергетика;

SafeNet – системы безопасности;

NeuroNet – нейротехнологии; HealthNet – персональная медицина;

FoodNet – система персонального производства еды.

354

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Дисциплина «Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики»

Тематический план

Тема 1. Нанофотоника и оптоинформатика. Тема 2. Источники излучения.

Тема 3. Фотоприемники. Тема 4. Модуляторы.

Тема 5. Оптика неоднородных сред.

Тема 6. Волоконно-оптические системы связи. Тема 7. Технологии наноплазмоники.

Тема 8. Оптическая запись, хранение и считывание информации. Тема 9. Оптические технологии в вычислительной технике. Тема10. Физические основыквантовойтехнологии.

Тема 11. Квантовые вычисления и операции. Тема 12. Квантовый компьютер.

Примерные вопросы к экзамену по дисциплине

1.Светоизлучающие диоды. Материалы и структуры. Квантово-раз- мерныелазерыилазерысмикрорезонаторами.

2.Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры (VCSEL). Фотонно-кристаллические лазеры с микрорезонаторами. Случайные лазеры.

3.Полупроводниковые детекторы фотонов для оптических приемников.

4.Солнечные элементы на основе металлоорганических перовскитов (МОП).

5.Электрооптические модуляторы. Интегрально-оптические модуляторы света. Электропоглощающие модуляторы на основе эффекта Келдыша – Франца и квантово-размерного эффекта Штарка.

6.Магнитооптические модуляторы света. Акустооптические модуляторы света.

355

7.Характеристики волоконных световодов. Технология изготовления и применения световодов. Специальные волноводы. Фокон, градан, сельфок.

8.Активные элементы интегральной оптики. Технология интегральной оптики.

9.Волоконно-оптические системы связи. Волноводные оптические усилители и лазеры. Волоконный усилитель, легированный эрби-

ем (EDFA).

10.Фотонные кристаллы. Фотонные фракталы.

11.Квантовая наноплазмоника. Нанолазер на поверхностных плазмонах (спейзер). Устройства наноплазмоники. Плазмонный графеновый чип.

12.Оптические метаматериалы. «Правые» и «левые» изотропные среды. Оптические плазмонные метаматериалы. Применение оптических метаматериалов.

13.Элементы памяти на макроскопических структурных изменениях (нарушениях формы) носителя. Магнитные элементы памяти. Электрические элементы памяти.

14.Оптические элементы памяти. Амплитудная бистабильность

впассивном кольцевом оптическом резонаторе. Бистабильные оптические устройства.

15.Голографические элементы памяти. Оперативные запоминающие голографические устройства. Сегнетоэлектрические энергонезависимые запоминающие устройства.

16.Оптические технологии. Оптические логические устройства на основе оптической бистабильности. Аналоговые процессоры.

17.Коммерческий оптический компьютер EnLight 256. Технология Lenslet. Элементная база EnLight 256. Мемристор.

18.Квантовая нанотехнология. Постулаты квантовой механики. Квантовая суперпозиция состояний.

19.Получение запутанных квантовых состояний. Спонтанное параметрическое рассеяние света. Бифотоны.

20.Мысленный эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена – Бома. Неравенства Белла. Формализм. Нарушение неравенства Белла. Экспериментальная проверка неравенств Белла.

21.Квантовая телепортация состояний. Алгоритм передачи.

22.Измерение. Кубиты. Однокубитовые вентили. Трехмерная визуализация кубита – сферы Блоха. Логические элементы, действующие на два кубита. Универсальные квантовые вентили. Базис Белла.

356

23.Теорема о запрете клонирования. Доказательство.

24.Структура квантового компьютера. Идеальный квантовый компьютер. Сравнениеквантовогокомпьютерасоптическимкомпьютером.

25.Физические проблемы квантовых компьютеров. Методы подавления декогеренции. Фазовая декогеренция кубита. Общие требования для реализации квантового компьютера.

26.Квантовый компьютер на основе спектрометра ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Квантовые компьютеры на различной физической основе.

357

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

NV-центр1

NV-центр (англ. nitrogen-vacancy center), или азотозамещенная вакансия в алмазе (рис. П.1) – это один из многочисленных точечных дефектов алмаза. Дефект представляет собой нарушение строения кристаллической решетки алмаза, возникающее при удалении атома углерода из узла решетки, и связывание образовавшейся вакансии с атомом азота.

Уникальность дефекта заключается в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, «замороженного» в кристаллической решетке алмаза. Электронные спины индивидуального центра легко манипулируются светом, магнитным, электрическим и микроволновыми полями, что позволяет записывать квантовую информацию на спине ядра центра. Такая манипуляция возможна даже при комнатной температуре. Центр имеет продолжительное, достигающее нескольких миллисекунд, время хранения наведенной спиновой поляризации. В настоящее время NV-центр может рассматриваться как базовый элемент будущего квантового процессора, необходимого для создания компьютера, линий связи с квантовым протоколом безопасности и в других областях применения спинтроники.

Основным преимуществом «алмазных кубитов» над их сверхпроводящими аналогами является то, что их можно использовать для создания «долгой» квантовой памяти благодаря возможности перенесения кубита на ядерный спин.

Рис. П.1. Упрощенная структура NV-центра

1 NV-центры // Nature. 2015. Vol. 526. Р. 410–414.

358

NV-центр является дефектом кристаллической решетки алмаза. Дефект включает в себя вакансию решетки со связанным с ней атомом азота. Размер решетки составляет 3,5 Å. Ось симметрии проходит по линии, соединяющей вакансию и атом азота, и по линии [111].

Методы исследования

Из спектроскопических исследований известно, что этот дефект может иметь отрицательный (N,V−) или нейтральный (N,V0) заряд. В исследованиях использовались различные методы: оптическое поглощение, фотолюминесценция (ФЛ), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР), который можно считать гибридом ФЛ и ЭПР. Наиболее подробную картину взаимодействия дает ЭПР. Атом азота имеет пять валентных электронов. Три из них ковалентно связаны с близлежащими атомами углерода, а два – с вакансией. Дополнительный электрон захватывает центр со «стороны» (видимо, от другого атома азота). Иногда центр теряет этот электрон, превращаясь в нейтральный.

У отрицательно заряженного центра N,V− электрон находится рядом с вакансией, образуя спиновую пару S = 1 с одним из валентных электронов вакансии. Как и в N,V0 электроны вакансии обмениваются ролями, сохраняя полную тригональную симметрию. Состояние N,V− обычно называют NV-центром. Электрон находится большую часть времени (90 %) вблизи вакансии NV-центра.

NV-центры, как правило, случайно разбросаны в теле алмаза. Однако ионная имплантация позволяет создавать центры в определенно заданном месте.

Энергетическая структура уровней NV-центра

Электронные переходы между основными ³А и возбужденными ³Е состояниями разделены интервалом энергии 1,945 эВ (637 нм) и определяют спектр поглощения и люминесценции. Состояние ³А расщеплено на 1027 гаусс (~5,6 мкэВ), а состояние ³E – на 508 гаусс (~2,9 мкэВ). Числа 0, ±1 обозначают величину спина; расщепление из-за спинорбитального вырождения не показано.

Энергетическая структура NV-центров изучалась теоретически и экспериментально. В экспериментах в основном применялся комбинированный способ возбуждения – метод электронного параметрического резонанса и лазерное излучение.

359

Гамильтониан

Спиновый гамильтониан центра, у которого в вакансии находится изотоп азота N14, имеет вид

Схема уровней представлена на рис. П.2. Для того чтобы определить собственные состояния центра, его рассматривают как молекулу, а в расчетах применяют метод линейной комбинации атомных орбиталей. Также используется теория групп, учитывающая как симметрию алмазной кристаллической структуры, так и симметрию самого NV. Энергетические уровни помечены в соответствии с симметрией группы С3V, A1, А2 и Е. Числа 3 в ³А2 и 1 в 1А1 представляют число разрешенных mS спиновых состояний, или спиновую мультиплетность, ле-

жащую от −S до S при полном числе 2S + 1 возможных состояний. Если S = 1, mS может принимать значения mS 1,0,1. Уровень 1А1

предсказан теорией и играет важную роль в подавлении фотолюминесценции, но прямого экспериментального наблюдения этого состояния пока не было.

В отсутствие внешнего магнитного поля основное и возбужденное состояния расщеплены магнитным взаимодействием между двумя неспаренными электронами NV-центра: при параллельных спинах электронов ( mS 1) их энергия больше, чем в случае с антипарал-

лельными спинами ( mS 0 ).

Чем дальше отделены электроны, тем слабее взаимодействие D (D ~ 1/r³). Иными словами, меньшее расщепление возбужденного состояния означает большую удаленность друг от друга

360