Новости

Вместо битов кубиты

В серпуховском Институте инженерной физики создана уникальная по оснащенности лаборатория, в которой ведутся научные исследования в области изучения квантовых информационных технологий.

В преддверии Дня Российской науки на вопросы корреспондента «Серпуховских вестей» ответил начальник лаборатории волновых эффектов научно-исследовательского управления-6 МОУ «Институт инженерной физики», кандидат технических наук Николай Кукин.

Николай Сергеевич Кукин в 1996 году окончил среднюю школу № 5 города Серпухова, в 2002 году — МГТУ им. Баумана. С 2001 по 2009 годы работал в НПО «Альтаир» (сейчас входит в концерн ВКО «Алмаз-Антей»), где защитил диссертацию по закрытой тематике. Работает в Институте с 2010 года, возглавляет лабораторию с 2014 года. Участвовал в выполнении НИОКР как ответственный исполнитель, заместитель главного конструктора и научный руководитель работ.

— Николай Сергеевич, в чем уникальность лаборатории?

 Да, действительно, в нашем Институте, под руководством Первого заместителя генерального директора но научной работе — главного конструктора, доктора технических наук, профессора Смурова Сергея Владимировича, создана уникальная по европейским меркам лаборатория для исследования квантовых информационных технологий на уровне современных мировых стандартов. В России это одна из четырех лабораторий, которые работают в этом направлении. Особенностью нашей лаборатории является возможность проведения работ с так называемыми твердотельными квантово-механическими объектами при комнатной температуре. Возможности лаборатории позволят выйти на принципиально новые технологии обработки и передачи информации на основе квантово-механических эффектов, которые можно наблюдать на основе дефектов (NV-центров) в кристаллах алмаза.

— Расскажите о сотрудниках лаборатории.

 На постоянной основе в лаборатории работают 12 человек. Есть доктора и кандидаты физико-математических и технических наук, имеющие большой опыт работы в этой тематике и смежных с ней дисциплинах. Особенно хочется отметить нашу молодежь: инженеров программистов, специалистов по инженерно-физическому обеспечению экспериментов в области квантовых информационных технологий — Алексея Бухтиярова и Дениса Капусткина, научных сотрудников, специалистов по инженерно-математическому обеспечению всех работ — Ирину Глотову, Анну Мурадову. Все они серпуховичи, выпускники серпуховского филиала Университета машиностроения МАМИ, Анна и Ирина еще учатся в магистратуре по направлению «Прикладная математика и информатика». Институт инженерной физики большое внимание уделяет подготовке научных кадров, трудоустраивает талантливую молодежь, создает серпуховичам условия для учебы и работы в родном городе.

У нас сложились хорошие научные связи с коллегами из лабораторий МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва), Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург), Физического института им. П.Н. Лебедева (г. Москва) и др. С 2015 года тесно работаем с Национальным исследовательским ядерным университетом МИФИ (г. Москва), используя существующую у них лабораторную базу для расширения своих возможностей в исследовании квантовых информационных технологий за счет создания образцов кристаллов алмаза с заданными свойствами. В свою очередь, коллеги из других учреждений получают возможность проводить свои исследования в нашей лаборатории, что, по сути, является «импортозамещением» необходимости нашим ученым выезжать за границу, для проведения своих научных изысканий. Опытные ученые из НИЯУ МИФИ и ИФВЭ (г. Протвино) проводят обучение и оказывают методическую помощь сотрудникам нашей лаборатории.

— Какие исследования ведутся в лаборатории?

— В настоящее время ведутся работы по модернизации уникального исследовательского стенда (единственного в своем роде), который оснащен всем необходимым оборудованием для работы с носителями квантовой информации — кубитами на основе NV-центров кристаллов алмаза. Отличительной особенностью стенда является возможность проведения экспериментов с кубитами, разнесенными в пространстве. Аналогов такого оборудования нет даже в европейских лабораториях.

В 2016 году на этом стенде успешно реализованы технологии, стоящие на переднем крае фундаментальных исследований, проводимых в Европе, в Японии и США — детектирование NV центра, инициализация, управления и измерения состояния квантовой системы на основе NV-центров. Получена реализация кубита на основе ансамбля NV-центров.

Сформирована научная кооперация (МИФИ НИЯУ, МГУ, МФТИ, ФГПНУ «Тиснум») по разработке образцов квантовых регистров памяти на основе NV-центров кристаллов алмаза — основ будущих квантовых компьютеров и квантовых повторителей — узлов перспективных высоко защищенных квантовых сетей передачи информации).

— Какую роль играет в исследованиях конфокальный микроскоп?

 Для работы с квантовыми объектами (как, впрочем, и с любыми другими) необходимо иметь инструменты, позволяющие воздействовать на эти объекты и оценивать результаты воздействий. Воздействия — это процедуры инициализации и преобразований квантового состояния, оценка результатов — процедуры проведения измерений над квантовой системой.

Все процедуры основаны на воздействии фотонами различных длин волн. Для доставки фотона до квантовой системы применяется конфокальный микроскоп. Его устройство позволяет выделить внутри кристалла область размерами в сотню нанометров и работать только с ней, исключив постороннее влияние. Благодаря этому можно найти область кристалла, содержащую одиночный квантовый объект, и именно туда посылать через оптику микроскопа управляющие фотоны и регистрировать ответные фотоны.

Проводя такие эксперименты на основе дефектов и примесей в кристаллах, мы ищем оптимальные параметры воздействий, обеспечивающие высокую эффективность нашего взаимодействия с квантовыми объектами в различных условиях. Результатами нашей работы станут прототипы квантового регистра и аппаратуры инициализации, преобразований и измерений для использования в перспективном отечественном квантовом компьютере.

— Чем хорош квантовый компьютер?

— Квантовый компьютер позволяет решать задачи, которые нельзя решить на обычном. А если можно, то на это нужно потратить значительно больше времени. На квантовом компьютере можно моделировать сложные физические и химические процессы, эффективно решать задачи оптимизации с большим количеством параметров, проводить глобальную логистику при большом количестве параметров с существенно большей производительностью и минимальными затратами времени.

Фундаментальным отличием квантового компьютера является использование кубитов вместо битов. Кубитом может быть частица, например электрон, у которой положительный спин представляет единицу, а отрицательный — ноль. Квантовые состояния каждой такой частицы, называемые суперпозициями, содержат одновременно и положительный и отрицательный спины.

Небольшое число частиц в квантовой системе может хранить огромный объем информации: так, всего 1000 частиц в суперпозиции может представлять любое число в диапазоне от 1 до 21000 (что примерно составляет 10300), а квантовый компьютер позволяет обрабатывать все указанные числа одновременно, например, облучая эти частицы лазерными импульсами.

В процессе измерения случайным образом реализуется только одно из 10300 возможных состояний. Тем не менее, искусное управление частицами позволяет быстро решать некоторые задачи, например разложение больших чисел на множители.

— Какое качество, на Ваш взгляд, должно обязательно быть у ученого?

— Это умение полностью погружаться в исследуемую проблему, отдавая всего себя поиску способа, метода ее решения. И, конечно, “учится, учиться и еще раз учиться”,- хочется повторить известный всем призыв. Ведь чем больше человек погружается в область исследования, тем сильнее осознает, как много еще неизведанного, неизученного, интересного. Сам постоянно учусь и младших коллег призываю это делать. В познании нового — не только путь к научному успеху и инновациям, но и радость, и удовлетворение от работы, и удовольствие от полученного результата.

Поздравляю с Днем Российской науки! Творческих успехов, новых достижений, открытий, реализации планов, интересных проектов!

Беседовала Надежда Сергеева

Опубликовано в газете «Серпуховские вести» от 3.02.2017г.

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.