На сегодня квантовые компьютеры ― дело не столь далекого будущего и не научная фантастика. Прототипы квантовых процессоров уже разрабатывают такие ИТ-гиганты, как Google, Intel и IBM. И уже есть данные, что они превосходят классические компьютеры. Основа таких устройств ― это кубит, двухуровневая квантовая система, которая хранит и обрабатывает информацию. В отличие от классических процессоров, которые работают на основе двоичной системы (1 ― включен и 0 ― выключен), квантовый бит может находиться в произвольной суперпозиции этих двух состояний.

Развитию квантовых процессоров мешает разброс параметров системы, который неизбежно возникает при изготовлении кубитов. Проще говоря, квантовые биты обладают разными физическими характеристиками, и разброс этих параметров негативно сказывается на стабильности работы всей системы. Кроме того, взаимодействие с окружающей средой и тепловые шумы разрушают суперпозиционные состояния кубитов, из-за чего могут возникать проблемы с обработкой и хранением информации.

Чтобы преодолеть это препятствие, ученые Нового физтеха предложили использовать принципы топологии:

«Возьмем две системы, глобальные симметрии которых приводят к формированию различных топологических фаз. Интересная физика начинается в тот момент, когда мы соединяем эти системы — на границе возникают топологические краевые состояния. Такие состояния защищены симметрией системы, а потому нечувствительны к локальным возмущениям. Например, наблюдается устойчивость к беспорядку: частота мод или направление их распространения остаются неизменными, даже если структура системы была нарушена в нескольких местах», ― объясняет автор исследования, аспирант Нового физтеха Университета ИТМО Андрей Степаненко.

Андрей Степаненко. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

Андрей Степаненко. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

Ученые уже используют это свойство при разработке топологически защищенных волноводов, резонаторов и лазеров, функционал которых не зависит от дефектов структуры. Но возможность с помощью похожих подходов защитить квантовую запутанность или квантовые вычисления оставалась практически неисследованной. Топологические состояния в кубитах изучались и раньше, но обычно в научных работах рассматривались одномерные и одночастичные состояния, что не позволяло реализовывать квантовую запутанность. Исследователи ИТМО смоделировали двумерную систему и пару фотонов в ней ― так появляется несколько дополнительных степеней свободы, а топологические состояния могут быть не только краевыми, но и угловыми. 

«Мы спроектировали двумерный массив кубитов и исследовали, как в нем движутся пары фотонов. Нюанс в том, что эти частицы “не знают” ничего друг о друге, пока в систему не введено какое-либо эффективное взаимодействие между ними, рассказывает Андрей Степаненко. — Чтобы эффективное взаимодействие фотонов было сильным, мы использовали переход Джозефсона диэлектрик, расположенный между двумя сверхпроводниками, многие сверхпроводящие кубиты построены именно на этом элементе. Это позволило нам создать топологическую фазу, заставить фотоны взаимодействовать и сформировать связанное состояние».

Ученые проверили, как беспорядок в системе может влиять на краевые состояния. Для этого они промоделировали реальную структуру, в которой кубиты немного различаются, и убедились в топологической защите квантового состояния:

«Наблюдая за изменениями спектра системы, мы убедились, что если краевое состояние топологическое, то оно будет защищено от флуктуаций в связях между кубитами, — рассказывает автор исследования, выпускник Нового физтеха Университета ИТМО Марк Любаров. ― Это уже само по себе интересное свойство, которое мы впервые продемонстрировали в двумерной системе. Основываясь на этом, в системе можно реализовать квантовый транспорт».

Художественное изображение изучаемой системы. Кубиты, расположенные в узлах решетки кагоме, соединены друг с другом либо через линейную индуктивность, либо через джозефсоновский переход. Структура топологического углового состояния связанной пары фотонов подсвечена красным. Изображение предоставлено авторами статьи

Художественное изображение изучаемой системы. Кубиты, расположенные в узлах решетки кагоме, соединены друг с другом либо через линейную индуктивность, либо через джозефсоновский переход. Структура топологического углового состояния связанной пары фотонов подсвечена красным. Изображение предоставлено авторами статьи

В будущем авторы планируют продолжить исследования сверхпроводящих квантовых процессоров, находя применения полученным результатам:

«Еще более интересные свойства возникают в контексте квантовых вычислений. Уже сегодня в нескольких алгоритмах квантовые компьютеры превосходят классические. Один из таких алгоритмов — бозонный сэмплинг (англ. boson sampling). Суть его заключается в том, что сперва в систему запускают фотоны и затем наблюдают, как они распределятся спустя некоторое время. Наша работа демонстрирует, что в топологических массивах кубитов результат такого алгоритма тоже защищен от беспорядка», — добавляет Андрей Степаненко.

Это исследование ― одно из направлений, которым занимаются сотрудники фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов», созданной при поддержке программы развития Университета ИТМО ― 2030. Также работа поддержана грантом Российского научного фонда.

Максим Горлач. Фото: ITMO.NEWS

Максим Горлач. Фото: ITMO.NEWS

«Мы начали исследовать топологические состояния квантового света еще в 2017 году, до того, как появились первые экспериментальные работы по этой теме. Первое время мы занимались чистой теорией; было не до конца понятно, как она соотносятся с реальными системами. Однако позже, сотрудничая с экспериментаторами в МИСиС, мы поняли, что предсказанная нами физика справедлива для массивов сверхпроводящих кубитов, и активно включились в это новое для нас направление. Я уверен, что на этом пути нас ждут новые открытия и яркие результаты, ведь еще так мало сделано. И мы будем рады видеть новых талантливых студентов, аспирантов и постдоков в нашей команде», ― заключает автор работы, старший научный сотрудник ИТМО, руководитель фронтирной лаборатории Максим Горлач.

Подробнее об исследовании: Andrei A. Stepanenko, Mark D. Lyubarov, and Maxim A. Gorlach. Higher-Order Topological Phase of Interacting Photon Pairs (Physical Review Letters, 2022)