Лаборатория физики элементной базы квантовых вычислений и квантовых коммуникаций


Практическая реализация квантового компьютера является исключительно сложной задачей, требующей полного контроля над квантовыми состояниями систем мезоскопического масштаба. Большой интерес в качестве кубитов квантового компьютера представляют массивы ультрахолодных нейтральных атомов в оптических ловушках и решетках, которые хорошо изолированы от внешнего окружения. Для таких атомов известны методы прецизионного управления квантовыми состояниями с использованием резонансного лазерного и СВЧ излучения. В частности, лазерное возбуждение атомов в высоковозбужденные (ридберговские) состояния позволяет управлять взаимодействием атомов друг с другом, что необходимо для реализации двухкубитовых квантовых логических операций.

Приоритетным направлением деятельности Лаборатории в ближайшей перспективе является изучение эффекта дипольной блокады в мезоскопических ансамблях холодных атомов в ридберговских состояниях для применений в квантовой информатике. Суть эффекта дипольной блокады состоит в том, что возбуждение одного атома в ридберговское состояние блокирует такое возбуждение в соседних атомах из-за сильного дальнодействующего взаимодействия ридберговских атомов, обладающих гигантскими дипольными моментами, и сдвига коллективных уровней энергии взаимодействующих атомов, выводящих их из резонанса с лазерным излучением. В результате все атомы оказываются в перепутанном квантовом состоянии, что и требуется для двухкубитовых операций.

План основных этапов работ лаборатории:

  • Исследование дипольной блокады при лазерном возбуждении атомов Rb с главным квантовым числом n~80 в объеме размером 20-30 мкм. Ожидаемым проявлением дипольной блокады будет уменьшение вероятности возбуждения двух и более ридберговских атомов, которое можно обнаружить при регистрации ридберговских атомов методом селективной полевой ионизации. Теоретические исследования будут сосредоточены на оптимизации ранее разработанных оригинальных схем квантовых вычислений с кубитами, представленными мезоскопическими атомными ансамблями, а не одиночными атомами. Будут также теоретически исследованы особенности адиабатического возбуждения ансамблей взаимодействующих ридберговских атомов.
  • Реализация режима дипольной блокады для мезоскопического ансамбля атомов Rb в магнито-оптической дипольной ловушке. Будут проведены эксперименты по лазерной и микроволновой спектроскопии атомов в оптических дипольных ловушках, которые позволят определить оптимальные условия для реализации когерентного возбуждения ридберговских атомов и выполнения квантовых логических операций. Это послужит основой для создания квантового регистра с кубитами на холодных нейтральных атомах.
  • Экспериментальная реализация предложенной нами ранее схемы детерминированного возбуждения одиночных ридберговских атомов в мезоскопических ансамблях, которая позволяет решить как проблему детерминированной загрузки одиночных атомов в оптические дипольные ловушки для квантового регистра, так и реализовать квантовые логические операции в мезоскопических атомных ансамблях.

Руководитель лаборатории

Рябцев Игорь Ильич
д.ф.-м.н., доцент

Сотрудники лаборатории

Бетеров
Илья Игоревич

к.ф.-м.н., доцент

Третьяков
Денис Борисович

к.ф.-м.н., с.н.с.

Энтин
Василий Матвеевич

к.ф.-м.н., с.н.с.

Якшина
Елена Алексеевна

инженер

Плешков
Александр Сергеевич

инженер

Коляко
Александр Владимирович

инженер