Чтобы решать сложные вычислительные задачи (например, шифровать информацию с помощью квантовой криптографии), ученые работают над созданием квантовых симуляторов (компьютеров). В отличие от обычного, такое устройство использует не биты (работают с двумя состояниями: 0 и 1), а кубиты (могут работать с большим количеством состояний). Считается, что благодаря этому квантовые компьютеры смогут обрабатывать все состояния одновременно и выдавать решения быстрее, чем обычные ПК.
Одно из главных технических препятствий, с которым столкнулись исследователи на пути разработки квантового компьютера, — спонтанное излучение, когда записанная в системе единица информации (кубит) может разрушиться в любой момент времени, излучившись в окружающее пространство. Это явление зачастую ограничивает время жизни квантовых состояний и, по сути, делает запись данных в квантовых системах невозможной. Для подавления спонтанного излучения обычно используются большие атомные структуры (из десятков или сотен атомов). Ранее ученые уже находили оптимальные двумерные атомные решетки, способные поддерживать максимально долгоживущие состояния, но каким должен быть оптимальный дизайн структур из произвольно расположенных частиц, оставалось неизвестным.
На этот раз физикам из ИТМО удалось с помощью небольшой оптимизации геометрии получить структуры, которые сохраняют квантовое состояние в десятки и сотни раз дольше. Для этого они применили эволюционные алгоритмы (направление в искусственном интеллекте, которое моделирует процессы естественного отбора) и создали программу, предсказывающую подходящие параметры систем. В отличие от многих других работ, где атомные структуры имели наперед заданную геометрию, в данной работе искусственный интеллект сам находил нужные расположения атомов.
Новое решение определяет геометрию молекул из ультрахолодных атомов. По сути, ученые написали инструкцию сборки долговечных квантовых систем для записи и хранения информации. Предсказанные с помощью искусственного интеллекта структуры можно использовать для создания алгоритмов квантовой памяти.
Схема алгоритма по созданию оптимального дизайна структур для долгоживущих квантовых состояний. Схема предоставлена авторами работы
Авторы рассматривали два изменяющихся параметра: количество атомов и минимальное разрешенное расстояние между ними. С помощью алгоритма они определили оптимальное геометрическое расположение частиц для различных межатомных расстояний: одномерные цепочки, фрагменты треугольных и квадратных решеток. Все эти конфигурации способны поддерживать неизлучающие, а значит, и долгоживущие квантовые состояния.
«Есть два пути развития этой работы. Если сейчас мы рассчитывали параметры структур для однофотонных состояний, то дальше будем искать то же самое для двуфотонных запутанных состояний: в них можно записать в два раза больше данных, а также применять их в квантовой коммуникации для передачи информации. Кроме того, мы бы хотели улучшить наш алгоритм, чтобы можно было считать системы из большего числа атомов», — рассказал один из авторов работы, аспирант Нового физтеха Илья Волков.
На фото авторы работы (слева направо): Роман Савельев, Илья Волков, Станислав Мицай, Степан Жоголев. Фото из личного архива участников
Результаты работы позволят экспериментаторам увеличить время записи квантовых состояний — это откроет новые возможности для работы с ними, в том числе поможет в создании квантовых компьютеров.
Статья: Ilya Volkov, Stanislav Mitsai, Stepan Zhogolev, Danil Kornovan, Alexandra Sheremet, Roman Savelev, Mihail Petrov. Non-radiative configurations of a few quantum emitters ensembles: Evolutionary optimization approach (Applied Physics Letters, 2024)
Исследование поддержано грантом РНФ № 21-72-10107.
