Специалисты из кластера Квантум Парка МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» создали устройство, обеспечивающее управляемую квантовую память, способное сохранять форму входящего микроволнового импульса и предоставлять доступ к нему по запросу. Показатель эффективности составляет более 57%, что значительно выше, чем ранее достигнутые мировые аналоги (21% в США, 12% в Китае). Результаты исследования были опубликованы в Physical Review Letters, одном из ведущих мировых журналов, специализирующихся на физике.
Новая архитектура кристалла квантовой памяти, предназначенная для доступа по требованию, включает управляемые элементы связи – активные «ключи». Она отличается масштабируемостью и позволяет интегрировать кристалл на чипе вместе со сверхпроводниковыми кубитами. Это открывает возможности для создания распределенных гибридных систем обработки информации с квантовыми сопроцессорами.
Созданное устройство является ключевым элементом будущих квантовых сенсоров, предназначенных для высокочувствительного обнаружения слабовидимых объектов и внедрения передовых способов квантовой коррекции ошибок.
Разработка интегральной квантовой памяти для микроволновых фотонов, которая будет совместима с архитектурой сверхпроводниковых кубитов, является важной задачей международного значения и представляет собой сложную научную и инженерную проблему. Квантовая память позволит упростить реализацию усовершенствованных алгоритмов коррекции ошибок, создать распределенные квантовые системы за счет повышения взаимосвязанности кубитов и разработать квантовые сенсоры нового поколения, которые смогут регистрировать объекты с исключительной точностью. На текущий момент все существующие прототипы характеризуются низкой эффективностью, затрудненным управлением и значительными потерями сигнала, которые вносят сами управляющие элементы.
Квантовая память с возможностью управления: решающую роль играет «ключ»
Принцип работы устройства базируется на явлении фотонного/спинового эха. Квантовая память – это чип, содержащий систему резонаторов с высокими характеристиками добротности, в которых сохраняется микроволновый импульс определенной формы. Отличительной особенностью устройства является применение уникального активного связующего элемента, созданного на основе джозефсоновского перехода. Этот элемент действует как активный «ключ», позволяющий оперативно подключать память к внешним цепям (входной линии) или обеспечивать ее полную изоляцию во время хранения импульса.
Устройство функционирует согласно трехступенчатому принципу:
- Запись: этап записи основан на согласованном поглощении микроволнового импульса системой резонаторов. Благодаря точному подбору параметров системы каждая частотная составляющая сверхслабого сигнала (с энергией на уровне одиночного фотона) направляется в соответствующий резонатор.
- Хранение: для обеспечения эффективного сохранения квантовой информации требуется, чтобы активный «ключ» обеспечивал полную изоляцию квантовой памяти от внешнего воздействия.
- Считывание по требованию: в ответ на запрос пользователя формируется и передается пакет управляющих сигналов, характеризующихся наносекундной длительностью, после чего происходит «открытие» ключа. Ранее распределенные по резонаторам спектральные компоненты объединяются, создавая скопированный со сдвигом по времени входной сигнал.
«В нашем устройстве частоты входного импульса распределяются по системе резонаторов, подобно нотам оркестра, исполняющим свои партии, и затем замирают в ожидании. Цикличность памяти обусловлена потребностью в поддержании фазовых соотношений – информация сохраняется внутри устройства до момента высвобождения точной, но задержанной во времени копии входного импульса по запросу пользователя. Мы, по сути, смогли остановить, сохранить и высвободить микроволновые фотоны по команде», – по словам Алексея Матанина, младшего научного сотрудника кластера Квантум Парк.
В результате проведенных исследований квантовая память показала возможность хранения данных в течение 1,51 микросекунды, что соответствует эффективной частоте 662 кГц – это наилучшие результаты, достигнутые на сегодняшний день.
«Квантовая память, разработанная нашей командой, обладает выдающимися характеристиками, что представляет собой значительный прорыв в решении одной из наиболее сложных задач квантовой инженерии. Наше устройство может стать тем самым ″квантовой оперативкой″, что необходимо было для ускорения развития квантовых вычислений и сенсорики», – по словам Михаила Гордина, ректора Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.
Преодолевая фундаментальные ограничения
Архитектура квантовой памяти, созданная в результате сотрудничества МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА», обладает рядом существенных достоинств, определяющих её инновационность. Среди них – высокая надёжность хранения информации: на прототипе достигнута точность в 57,5%, что значительно выше, чем у существующих решений на чипе, представленных, например, в Stanford University (21%) и Tsinghua University (12%). Кроме того, конструкция предполагает использование небольшого количества управляющих элементов – для функционирования требуется лишь одна дополнительная линия управления, что облегчает интеграцию устройства и уменьшает воздействие помех.
Существенным преимуществом является то, что на этапе хранения не происходит никаких потерь. В отличие от других архитектур, активный «ключ», находясь в неактивном состоянии, не приводит к дополнительным потерям в системе хранения, что устраняет одно из основных ограничений эффективности устройства.
«В течение длительного периода потери при передаче и хранении микроволновых фотонов представляли собой серьезную проблему. Впервые удалось преодолеть фундаментальные ограничения, снизив воздействие управляющих элементов на хранение квантовой информации. Благодаря этому разработано устройство с неограниченной теоретической эффективностью, которая потенциально может достигать 100%. Это имеет огромное значение, поскольку эффективность существующих архитектур квантовой памяти значительно ограничена, даже в теоретических расчетах», – подчеркнул Илья Родионов, руководитель кластера Квантум Парк МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».
Квантовая память, созданная совместно МГТУ и ВНИИА, обладает конструктивной и технологической совместимостью со сверхпроводниковыми кубитами, являющимися основной платформой для квантовых вычислений. Это открывает возможность интеграции памяти в действующие квантовые процессоры, необходимые для квантовой коррекции ошибок.
Информация и иллюстрации предоставлены НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы
МГТУ им. Н.Э. Баумана