Ученые ФТИ им. А. Ф. Иоффе разработали первый в РФ источник одиночных фотонов для обеспечения работы квантовых компьютеров

Концепция квантового компьютера появилась в конце XX века, когда ученые предложили новую архитектуру, отличную от классической концепции вычислительной техники фон Неймана (на ее основе действуют все современные компьютеры). Согласно новой концепции под квантовым компьютером понимается вычислительное устройство, которое действует на принципах квантовой механики. Например, традиционные компьютеры оперируют двоичным кодом – битами, которые принимают только два значения 0 или 1. В противоположность этому квантовое вычислительное устройство использует элементы квантовой информации – кубиты, каждый из которых находится в суперпозиции (явление из квантовой механики), то есть может с определенной вероятностью находиться в одном из двух квантовых состояний.

 

Хотя полноценный квантовый компьютер пока не создан, исследования показывают, что для решения ряда задач такое устройство будет обладать так называемым квантовым превосходством – значительно более высоким быстродействием, чем традиционные компьютеры. Однако для создания и активного внедрения квантовых вычислительных устройств требуется разработать относительно недорогую и эффективную компонентную базу, с помощью которой возможно проводить квантовые вычисления.

 

“Мы разработали первый в России источник одиночных фотонов (квантов света – прим.ред.). Это устройство представляет собой структуру, центром которой является квантовая точка – искусственный полупроводниковый объект с предельно малыми размерами, обладающий многими свойствами одиночного атома. В силу своих уникальных характеристик квантовые точки являются квантовыми объектами, излучающими абсолютно одинаковые (неразличимые) одиночные фотоны, которые могут использоваться в качестве кубитов в квантовых вычислительных устройствах”, – рассказывает заведующий Лабораторией квантовой фотоники ФТИ им. А.Ф. Иоффе Алексей Торопов.

 

В основе источника одиночных фотонов лежит наноразмерная гетероструктура: многослойный полупроводниковый материал. Подложкой для нее выступает арсенид галлия – один из наиболее эффективных промышленно используемых полупроводниковых материалов. Он применяется для создания интегральных электронных схем , транзисторов, светодиодов, лазерных диодов и проч.

 

На поверхности подложки учеными ФТИ им. А. Ф. Иоффе с помощью сверхточных эпитаксиальных технологий (управляемый рост одного монокристаллического материала на другом), выращиваются квантовые точки – миниатюрные “островки” арсенида индия, окруженные арсенидом галлия.

 

“По своим характеристикам наш источник одиночных фотонов, созданный на основе эпитаксиальной гетероструктуры с квантовыми точками, не уступает зарубежным аналогам, а по некоторым свойствам даже превосходит их. Сейчас устройство используется учеными Центра квантовых технологий МГУ, которые ведут разработки квантовых компьютеров. В перспективе эта работа направлена на создание отечественного универсального квантового компьютера для выполнения различных вычислений”, – отмечает Алексей Торопов.

 

Он также добавил, что сейчас ученые лаборатории работают над совершенствованием характеристик гетероструктур с квантовыми точками. В будущем это позволит применять источники одиночных фотонов не только для создания вычислительных устройств, но и для квантовых коммуникаций на линиях связи с предельно высоким уровнем защиты информации от взлома. Такие исследования лаборатория инициировала сейчас в рамках взаимодействия с ОАО «РЖД».

 

Разработки исследователей ФТИ им. А.Ф. Иоффе проводятся в рамках Дорожной карты «Квантовые вычисления», разработанной ГК «Росатом», которая была утверждена в июле 2020 года на президиуме правительственной комиссии по цифровому развитию под председательством вице-премьера РФ Дмитрия Чернышенко. Среди основных задач Дорожной карты – объединение усилий и компетенций ведущих отечественных научных центров для создания квантовых компьютеров на основе различных физических принципов. Финансирование всего проекта в рамках национальной программы "Цифровая экономика" до 2024 года запланировано в объеме более 23 млрд рублей бюджетных и внебюджетных средств.

 

За цикл работ «Светоизлучающие устройства на полупроводниковых наноструктурах для квантовой и ультрафиолетовой фотоники» Алексей Акимович Торопов в 2023 году удостоен премии им. Ж.И. Алферова Правительства Санкт-Петербурга за выдающиеся результаты в области науки и техники.