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
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
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
«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)
