Ученые Квантум Парка МГТУ им. Баумана и ВНИИА им. Духова создали устройство управляемой квантовой памяти, сохраняющее форму входного микроволнового импульса и позволяющее считывать его по требованию. Эффективность устройства превышает 57%, что значительно выше предыдущих мировых достижений — 21% в США и 12% в Китае.
Для реализации доступа по требованию разработана новая архитектура кристалла с управляемыми элементами связи (активными «ключами»). Она обладает масштабируемостью и совместимостью с интеграцией на чипе со сверхпроводниковыми кубитами для построения распределённых гибридных квантовых систем.
Устройство является ключевым компонентом для будущих квантовых сенсоров сверхвысокой чувствительности и перспективных методов квантовой коррекции ошибок.
Интегральная квантовая память для микроволновых фотонов, совместимая со сверхпроводниковыми кубитами, остаётся задачей мирового уровня и одним из самых сложных вызовов в квантовой инженерии. Такая память необходима для реализации продвинутых алгоритмов коррекции ошибок, создания распределённых квантовых систем с высокой связностью кубитов и разработки сенсоров нового поколения с беспрецедентной точностью детектирования. Все предыдущие прототипы имели низкую эффективность, сложное управление и значительные потери сигнала от управляющих элементов.
Результаты опубликованы в Physical Review Letters, ведущем мировом журнале в области физики.
Управляемая квантовая память: всё дело в «ключе»
Работа устройства основана на принципе фотонного/спинового эха. Квантовая память представляет собой чип с системой высокодобротных резонаторов, в которых хранится микроволновый импульс заданной формы. Инновация устройства заключается в использовании уникального активного связующего элемента на базе джозефсоновского перехода. Он выполняет роль активного «ключа», который может быстро соединять память с внешним миром (входной линией) или полностью изолировать ее на этапе хранения импульса.
Принцип действия устройства заключается в трех шагах:
- Запись: этап записи основан на согласованном поглощении микроволнового импульса системой резонаторов. Благодаря точному подбору параметров системы, каждая частотная составляющая сверхслабого сигнала (с энергией на уровне одиночного фотона) направляется в соответствующий резонатор.
- Хранение: активный «ключ» «закрывается», полностью изолируя квантовую память от внешней среды – необходимое условие для высокоэффективного хранения квантовой информации.
- Считывание по требованию: по требованию пользователя отправляется пакет управляющих сигналов наносекундной длительности, «ключ» открывается. Спектральные компоненты, ранее распределенные по резонаторам, собираются воедино, формируя сдвинутую во времени копию входного сигнала.
«В нашем устройстве частоты входного импульса расходятся по системе резонаторов, словно ноты оркестра по своим партиям, и замирают в ожидании. Циклический характер памяти продиктован необходимостью поддерживать фазовые соотношения – информация удерживается внутри устройства до тех пор, пока по запросу пользователя не высвобождается точная, но задержанная во времени копия входного импульса. Мы фактически научились останавливать, хранить и отпускать микроволновые фотоны по команде», – сказал Алексей Матанин, младший научный сотрудник кластера Квантум Парк.
В ходе экспериментов квантовая память продемонстрировала цикл хранения 1,51 мкс, т.е. эффективную частоту памяти в 662 кГц – это лучшие показатели в мире.
«Созданная нами квантовая память демонстрирует рекордные параметры, что является серьёзным достижением в решении одной из самых сложных задач квантовой инженерии. Наше устройство может стать той самой “квантовой оперативкой”, которой не хватало для ускорения развития квантовых вычислений и сенсорики», – отметил Михаил Гордин, ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Преодолевая фундаментальные ограничения
В числе ключевых преимуществ разработки — высокая точность операции хранения. На разработанном устройстве достигнут показатель 57,5%, что в несколько раз превосходит результаты мировых аналогов для решений на чипе (21% у Stanford University, 12% у Tsinghua University). Конструкция требует минимального числа управляющих элементов: для работы необходима всего одна дополнительная линия управления, что упрощает интеграцию устройства и снижает уровень шума.
Важнейшей особенностью также является отсутствие потерь на этапе хранения: в отличие от других подходов (архитектур), активный «ключ» в выключенном состоянии не вносит дополнительных потерь в систему хранения, что снимает одно из главных ограничений эффективности устройства.
«Долгое время потери при передаче и хранении микроволновых фотонов были непреодолимым барьером. Впервые в мире мы смогли обойти фундаментальные ограничения, минимизировав влияние управляющих элементов на хранение квантовой информации. В результате получили устройство, теоретическая эффективность которого не ограничена и потенциально может достигать 100%. Это крайне важно, поскольку эффективность предложенных в мире архитектур квантовой памяти значительно ограничена даже в теории», – подчеркнул Илья Родионов, руководитель кластера Квантум Парк МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».
Архитектура квантовой памяти совместной разработки МГТУ и ВНИИА конструктивно и технологически совместима со сверхпроводниковыми кубитами – ведущей платформой для квантовых вычислений, что открывает путь к интеграции памяти в реальные квантовые процессоры для квантовой коррекции ошибок.
