«Квантовая акустика появилась благодаря сверхпроводниковым искусственным атомам»

Квантовые технологии — наше фантастическое будущее? О том, заменит ли электроника, работающая с одиночными квантами (фотонами, фононами, элементарным зарядом), привычную нам классическую и какой вклад в нее внесут новейшие технологии, рассказывает грантополучатель РНФ Олег Астафьев, профессор Сколтеха, заведующий лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ.

— Олег Владимирович, вы занимаетесь технологиями, о которых многие говорят и от которых ждут  технологического прорыва.  

Наша лаборатория ведет исследовательскую работу по нескольким важным направлениям, но при этом можно выделить основное и объединяющее — это квантовая оптика на сверхпроводниковых квантовых системах. В этом направлении у нас было реализовано два проекта при поддержке РНФ. 

Первый занял пять лет и был посвящен исследованиям в области фотоники на искусственных атомах. Например, мы изучали новый эффект — квантовое волновое смешение на чипе — и продемонстрировали новые необычные результаты, которые не были показаны в традиционной квантовой оптике. 

Второй — совместный российско-китайский проект с Natural Science Foundation of China (NSFC), где с китайской стороны участвовали ведущие университеты: Tsinghua University, University of Science and Technology (USTC) и Hunan Normal University. В рамках этого проекта мы продолжали развивать тему сверхпроводниковых квантовых систем, но с упором на новые подходы для применении в квантовых компьютерах. Мы исследовали квантовую акустику, которая позволит уменьшить элементы сверхпроводниковых схем благодаря значительно меньшим длинам акустических волн по сравнению с электромагнитными; квантовую спинтронику для оптимизации свойств так называемых потоковых кубитов; исследовали пути реализации других перспективных потоковых кубитов. Итогам нашей работы были посвящены две конференции в Китае в прошлом году. Это значимый и весьма продуктивный проект. 

— Что такое сверхпроводниковые квантовые системы? Почему их называют искусственными атомами? Чем они похожи на реальные, а в чем отличие? А главное, в чем их преимущества?

Сверхпроводниковые квантовые системы — это миниатюрные металлические структуры, работающие при очень низких температурах. С уменьшением размеров существенную роль начинают играть квантование заряда (элементарный заряд в сверхпроводнике — это куперовская пара — пара связанных электронов — прим. ред.) и квантование магнитного потока. Ключевым элементом схемы является маленький джозефсоновский переход (джозефсоновский переход — это туннельный барьер для куперовских пар — прим. ред.) с размерами 100 нанометров и меньше. Такие системы называют искусственными атомами, потому что они имеют набор уровней энергии, как и в естественных атомах. Таким образом, если «посветить» на них электромагнитной волной на частотах переходов, то можно увидеть поглощение и переизлучение — почти так же, как и в естественных атомах.  

Хочу подчеркнуть, что наши структуры — это не квантовые точки, хотя у них есть общие физические принципы, например квантование заряда в наноструктурах. Но в сверхпроводниковых структурах высокие времена когерентности, так как сверхпроводимость проявляется в первую очередь как протекание тока без диссипации. Квантовые точки тоже иногда называют искусственными атомами, но я буду говорить именно о сверхпроводниковых системах. 

Наши структуры изготавливаются с помощью современных нанотехнологических методов, которые, в частности, развиты в Центре коллективного пользования МФТИ. Хоть искусственные атомы и похожи на естественные, они обладают рядом интересных необычных свойств. В первую очередь можно выделить легкодостижимую физически сильную связь между соседними искусственными  атомами, а также между атомами и другими элементами схемы. Это означает, что искусственный атом когерентно (без релаксации, потери информации) взаимодействует с соседними системами. Именно сильная связь помогает получать новые результаты, которые трудно (или вообще невозможно) реализовать на естественных атомах. Кроме того, мы можем изготовить устройство с заранее заданными свойствами, в отличие от естественных атомов, свойства которых заданы природой. Также они хорошо контролируются и управляются электрическими сигналами. 

После того как чип изготовлен, мы помещаем его в специальный держатель и подсоединяем линии управления. Затем устанавливаем его в специализированный криостат, охлаждаем его до температуры около –273,14 °С (0,01 К) — это всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля. После охлаждения мы исследуем систему, прикладывая СВЧ-излучение. 

— Где эти атомы находят свое применение?

То, что сейчас на слуху, — это квантовые процессоры. Искусственные атомы можно использовать как квантовые биты — кубиты, если ограничиться приближением двух нижних уровней. На их основе можно строить интегральные схемы. Они имеют большие времена когерентности, а значит, информация в них долго сохраняется, есть высокая степень контроля, они управляются электрическими сигналами. Квантовые процессоры и их применение — это еще одна область нашей деятельности. 

Но нам в первую очередь интересна фундаментальная физика. Искусственные атомы сами по себе — интересные физические объекты. На искусственных атомах можно изучать явления квантовой оптики, ранее недостижимые на естественных атомах и на квантовых точках. Отличие наших систем еще и в том, что рабочие частоты лежат в СВЧ-диапазоне и излучение распространяется по коаксиальным кабелям. Мы используем СВЧ-технику и приборы. 

На основе наших искусственных атомов мы делаем высокоэффективные (выше 90%) перестраиваемые источники фотонов по требованию. Такой источник — мечта тех, кто работает в традиционной квантовой оптике. Наши источники работают в СВЧ-диапазоне, а длинноволновые фотоны распространяются по линиям на чипе и в коаксиальных кабелях. С помощью таких устройств мы изучаем взаимодействие одиночных фотонов и неклассических полей с другими искусственными атомами и окружением. Взаимодействие излучения (классического и неклассического) с идеальной квантовой системой — одно из важных направлений нашей лаборатории. По этой тематике у нас уже опубликовано несколько работ.

Другое интересное направление — эффект когерентного квантового проскальзывания фаз в нанопроволочках. Это очень фундаментальный эффект сверхпроводимости. Недавно нами было показано квантование тока под действием СВЧ-излучения. Этот эффект был предсказан 30 лет тому назад и требовал экспериментального подтверждения. Нам удалось показать появление ступенек по току, индуцированных СВЧ. Это одно из последних неподтвержденных фундаментальных явлений в сверхпроводимости. Результат очень важен для применений, так как он будет основой для создания метрологических стандартов тока. Кроме того, это позволит замкнуть метрологический треугольник: напряжение — сопротивление — ток. Квантовый стандарт напряжения давно работает на нестационарном эффекте Джозефсона; стандарт сопротивления тоже существует и основан на квантовом эффекте Холла. Наш эффект — это нестационарный эффект когерентного квантового проскальзывания фазы. Каждая из этих величин выражается через две другие, и можно независимо проверить точность каждого стандарта. Кстати, за первые два эффекта были получены Нобелевские премии. 

— Какие направления для вас — самые интересные? 

Например, квантовая акустика, весьма перспективная область для изучения новых явлений и реализации новых устройств. Квантовая оптика работает с фотонами, которые переносят электромагнитное излучение (квантовая оптика занимается изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света — прим. ред). В нашем случае сам термин  «квантовая акустика» как реальное направление появился совсем недавно. Она в целом похожа на квантовую оптику, но здесь излучение переносят фононы — кванты колебания кристаллической решетки. Можно сказать, что это кванты звука, хоть звук, о котором мы говорим, и находится за пределами слышимости человеческого уха. 

В рамках проекта РНФ мы изучали взаимодействие искусственного атома с акустическим резонатором на поверхностных волнах. Нам удалось выиграть своеобразное соревнование с другими научными лабораториями, и мы первые продемонстрировали физически сильную связь сверхпроводниковых квантовых систем с поверхностными акустическими волнами. В качестве акустической среды использовался кристалл кварца — пьезоэлектрик, который позволяет конвертировать электромагнитные волны в акустические, и наоборот. 

В наших планах разработка нового устройства — акустического лазера. Обычный лазер имеет аббревиатуру LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «усиление света за счет вынужденного излучения». В акустическом устройстве Light — свет будет заменен на Sound — звук. Таким образом, устройство должно будет называться SASER. С точки зрения фундаментальной физики это очень интересно. 

В общем, мы работаем над новой физикой, где вместо электромагнитных волн используются акустические. Эти опыты мы проводили в рамках совместного с Китаем проекта. 

— Технологии фотоники развивались еще с 60-х годов прошлого столетия. Изобретенный лазер нашел применение в тысячах приложений, но они так и не заменили электронику. Ожидается ли сейчас революционный прорыв?

Я бы не стал говорить о какой-то революции. Кремний, так и останется востребованным материалом в электронных приборах. Современные физические лаборатории исследуют новые направления с высоким потенциалом. Что-то может найти применение, но в любом случае в результате исследований будет получено новое знание, которое в дальнейшем приведет к новым открытиям и применениям. Нам интересна новая фундаментальная физика. Также мы много времени уделяем квантовым компьютерам. 

— Квантовый компьютер — очень интересная для всех тема, которая постепенно обрастает все большим количеством легенд. На каком этапе находятся ваши разработки? 

Совсем недавно мы разработали и изготовили первый в России 12-кубитный сверхпроводниковый квантовый процессор и уже провели его тестирование на решении задач машинного обучения. Следующий этап — нарастить интеграцию до 16 кубитов по той же технологии, что повысит его эффективность.

— Перевернет ли нашу реальность ввод в применение квантовых компьютеров? 

Квантовые компьютеры, даже когда (и если) они полноценно заработают, не заменят обычные. Вычислительные устройства, принцип действия которых основан на явлениях квантовой механики, будут использоваться в специализированных задачах, где не столь эффективны классические. Это в первую очередь моделирование квантово-механических систем, например для квантовой химии, поиск новых материалов и расчета их свойств. Также традиционно говорят о задачах оптимизации с большим количеством параметров и криптографии.

Классический компьютер использует в качестве единицы информации бит, который принимает значения 0 или 1. Квантовый бит (кубит) способен находиться в состоянии их суперпозиции: быть 0 и 1 одновременно, что позволяет выполнять множество параллельных операций. Но состояние это очень неустойчивое. В отличие от классических битов, кубиты очень чувствительны к любым внешним воздействиям и шумам, и чтобы успеть выполнить достаточное количество операций до того, как информация будет потеряна, требуется дорогостоящее высокочастотное оборудование. 

— Избежать этих ограничений пока не представляется возможным? 

Пока нет. В целом же в этой области сейчас идут очень масштабные работы. Квантовые процессоры создают на базе различных технологий, и какая из них выстрелит и выстрелит ли в целом, до сих пор непонятно. Мы считаем, и многие во всем мире с этим согласны, что наиболее перспективной является технология сверхпроводниковых квантовых процессоров. В любом случае заниматься этим надо, так как, во-первых, эти исследования ведутся на грани современных возможностей, что ведет к развитию новых технологий. А во-вторых, как это не раз бывало, в результате поисков может возникнуть что-то новое в боковой ветви. 

— Олег Владимирович, вы перечислили достаточно масштабные проекты, но какое направление вам в целом больше интересно? 

Мне интересно заниматься фундаментальной физикой. Зачастую применения результатов наших исследований неочевидны поначалу, но мы готовим платформу для передовых решений. Учеными в области фундаментальной физики в первую очередь движет интерес: как это работает, что это такое…

Из самых интересных направлений для меня очень привлекательна разработка лазера в акустическом диапазоне. Это действительно неожиданная и красивая вещь. Но он также не заменит уже привычный нам лазер в электромагнитном диапазоне, а добавит нам знаний и, возможно, приведет к разработке полезных инструментов для будущих устройств. 

Но есть и другие интересные проекты. Например, детекторы одиночных фотонов в СВЧ-диапазоне. Такие детекторы важны для фундаментальных исследований и квантовой информатики. Также считается, что они необходимы для проекта по обнаружению темной материи.

— А она что, все же существует? 

Это не мне судить, но не вижу причин не соглашаться с учеными, работающими в других областях. Существуют теории, которые предсказывают, что частицы темной материи могут конвертироваться в СВЧ-фотоны в сильном магнитном поле. Для таких фотонов счетчик фотонов, который мы разрабатываем, будет, конечно, очень востребован. 

Беседовала Варвара Кравцова