Недавно физики из Российского квантового центра совместно с коллегами из Гарварда сообщили о создании устройства, в котором отдельный атом взаимодействует с фотонами из оптического волокна, причем с очень высокой эффективностью. О том, как устроен фотонный интерфейс, зачем он нужен и почему им интересуются банкиры и военные, «Лента.ру» поговорила с одним из авторов работы, членом научного совета Российского квантового центра, Алексеем Акимовым.
На сайте квантового центра говорится, что вы занимаетесь интегрированной фотоникой. Давайте для начала проясним термин, что это такое?
Фотоника — это такая электроника, в которой вы вместо электронов используете фотоны. Интегрированная фотоника — это просто фотоника на интегральных платах, по аналогии с интегральной электроникой. То есть это работа с полностью оптическими чипами.
Всегда ли интегрированная фотоника подразумевает работу с квантовыми вычислениями?
Нет. Это могут быть и классические вычисления, это могут быть и квантовые вычисления, не важно. Важно, что носителем информации является фотон и что вы его обрабатываете на чипе.
Какие свойства фотона для этого используются: поляризация, частота, что-то еще?
Алексей Акимов
Это уже зависит от того, какой конкретный вид обработки информации вы рассматриваете. Если это квантовые вычисления, то тогда используется либо поляризация, либо время прибытия, либо частота. Если речь идет о классических, неквантовых вычислениях, то обычно используется время прибытия и частота. Я занимаюсь фотоникой применительно именно к квантовым вычислениям.
Расскажите тогда, пожалуйста, про вашу последнюю статью в Science, про тот оптический интерфейс, который вы сделали.
Устройство, которое мы создали, можно назвать интерфейсом, то есть системой взаимодействия между фотонами, движущимися по оптическому волокну, и отдельным атомом. Атом в таком интерфейсе может, например, переключать пропускание фотонов через волокно, то есть работать как оптический транзистор, или же его можно использовать как некую квантовую ячейку, как элемент квантовой памяти. У нас получился такой универсальный инструмент, который подходит для работы как с классической информацией, так и с квантовой.
Сделать такую вещь весьма непросто. Во-первых, нужно уметь работать с отдельными атомами, двигать их, удерживать на определенном расстоянии от оптического волокна. И во-вторых, атомы, вообще говоря, очень плохо взаимодействуют с фотонами. Чтобы заставить их «разговаривать» друг с другом, нам пришлось создать специальный резонатор, расположенный на конце волокна. Именно он обеспечивает то, что в нашем интерфейсе атом и фотон с большой вероятностью, практически в 100 процентов, будут взаимодействовать.
Как этот интерфейс выглядит физически? То есть, если просто посмотреть на него под микроскопом?
Это такое оптическое волокно, которое на конце вытянуто в тоненькую, буквально в полмикрона, жилу. На нее приклеена примерно такого же размера структура прямоугольного сечения, это резонатор или, как мы его называем, фотонный кристалл. В нем «просверлены» дырки, он имеет форму, напоминающую хоккейную клюшку, просто по техническим причинам. И вот над этими дырками на расстоянии в 200 нанометров в вакууме висит атом.
Волокно на этом устройстве обрывается, да?
В нашем случае да, но вообще говоря, это совершенно не обязательно. Нам так чисто технологически было удобнее, поскольку мы работаем на отражение, а не на пропускание. Но в принципе, это зависит от желания — в том, чтобы присоединить волокно с другой стороны интерфейса, нет никакой проблемы. Как только вы научились собирать такую систему с атомом и резонатором, дальше все просто.
Понятно. А как эта система собирается?
Это довольно сложная вещь. Сначала в несколько этапов изготавливают фотонные кристаллы. Это происходит примерно так же, как с микросхемами: сначала проводится литография, потом травление, в итоге получается чип, на котором расположено множество фотонных кристаллов.
Совершенно отдельно изготавливается вытянутое оптическое волокно. Для него подбирается один из фотонных нанокристаллов, после чего все это помещается в вакуум рядом с источником атомов. Атомы сначала охлаждаются с помощью лазера, затем один из них захватывается с помощью другого лазерного сфокусированного луча и перемещается поближе к волокну с фотонным кристаллом. Ну а дальше из лазеров строится некая хитрая оптическая ловушка, в которой этот атом удерживается. При этом в ней используется не только сам луч, но и его отражение от наноструктуры. Все вместе — довольно сложная процедура, у нас ушло около трех лет, чтобы ее успешно провести.
Расскажите, пожалуйста, что такое резонатор — как он выглядит и как работает?
Это такой параллелепипед, примерно 200 на 100 нанометров. В нем насверлены дырки диаметром около 40 нанометров — внешне напоминает такой длинный пустотелый кирпич. Сделан он из нитрида кремния, довольно распространенного материала в электронике. Раньше, когда мы начинали эту работу, мы думали, что этим нанокристаллом будет специальным образом заточенная серебряная проволока. Но в конце концов остановились на диэлектрике, так как посчитали, что это более перспективно и позволяет достичь большей величины взаимодействия.
Функционально резонатор выступает просто как пара зеркал, которая не дает пропасть фотонам, так и не вступив во взаимодействие с атомом. По существу, эти дырочки, которые мы создали в нанокристалле, образуют как бы два зеркала, между которыми мечется фотон. И если атом не вступил во взаимодействие с ним сразу, то фотон отражается и снова проходит поблизости. Таким образом, увеличивается вероятность взаимодействия, и в этом, собственно, заключается вся функция резонатора.
Понятно. А что за атом вы использовали и как вы его научились помещать именно туда, куда необходимо? Я так понимаю, что для этого использовался оптический пинцет?
Мы работали с атомом рубидия и использовали для этого оптический пинцет. Оптический пинцет — это сфокусированное электромагнитное поле, у которого есть ярко выраженный максимум. Частица, которая в него попадает, поляризуется, поскольку есть меняющееся электрическое поле, и притягивается к его максимуму. Оптический пинцет, в принципе, работает не только с атомами, но и с пылинками, с металлическими мячиками, и с любыми частицами. Вопрос только в соотношении между величиной силы и весом частицы. В случае атома нет практически никакой гравитации, он очень легкий.
Резонатор или нанокристалл создан из нитрида кремния и имеет вдоль длины множество отверстий
Изображение: Алексей Акимов
Здесь, однако, есть важная тонкость. Нам нужно было не просто удержать частицу в вакууме, но и приблизить ее на определенное расстояние к поверхности резонатора. Обычный оптический пинцет для этого не подходит — в нем при приближении к поверхности возникнет дырка. Поэтому мы использовали как часть оптического пинцета отражение от самой наноструктуры. При интерференции самого луча и его отражения возникала такая ловушка, куда мы и помещали атом.
Но прежде чем поймать атом в ловушку, вы его охлаждали. Как можно лазером охлаждать атомы?
Лазерное охлаждение работает как попытка остановить поезд пулеметом. То есть вы навстречу частице стреляете фотонами, каждый из которых несет импульс. Поскольку масса атома значительная, а у фотона масса покоя — ноль, то каждый фотон лишь немного его тормозит. Атом поглощает, но быстро переизлучает фотоны во всех направлениях. Обстреливая атом навстречу движению, вы его останавливаете, или, другими словами, охлаждаете его. Речь идет о температурах, отстоящих от абсолютного нуля менее, чем на тысячную долю градуса. При этом атом двигается медленнее, чем пешеход — около метра в секунду или даже меньше.
То есть на каждый атом вы используете по два лазера?
Вообще в установке используется много лазеров. Один — это оптический пинцет, о котором мы говорили. Два лазера — это лазерное охлаждение. Еще есть лазер для дополнительного охлаждения. То есть лазеров много.
Насколько я понимаю, созданный вами интерфейс, несмотря на то, что его можно применять в классической фотонике, наиболее важен, все-таки, для квантовых вычислений.
Если вы хотите переносить квантовые состояния между атомами, то для этого нужен носитель. В качестве такого носителя можно использовать фотон. С одной стороны, он может быть очень хорошим носителем, так как слабо взаимодействует с веществом. С другой стороны, из-за того, что он так инертен, непонятно, как на него передать информацию. Наше устройство как раз позволяет решить эту проблему — передать квантовую информацию с атома на фотон и обратно. Вы можете перевести, скажем, атом в какое-нибудь суперпозиционное состояние, а потом переписать эту суперпозицию на фотон — будет суперпозиция двух разных частот, двух разных поляризаций, и фотон в таком состоянии будет распространяться.
И таким образом в квантовом компьютере можно будет передавать от одного к другому состояния кубитов, в роли которых в данном случае выступают атомы. «Лента.ру» как раз недавно писала про первый кубит, созданный и измеренный на территории России. Но в той работе в роли кубита выступало кольцо из тонкой металлической фольги. Вообще существует множество реализаций кубитов — почему вы решили обратиться именно к отдельным атомам?
Потому что атом — это естественная квантово-механическая система, он в некотором смысле идеальный кубит. У него ограниченные энергетические уровни, он ничего, кроме фотонов, излучить не может. У твердотельных систем часто возникает такая проблема: когда они теряют свое квантовое состояние за счет колебаний, вы не можете это никак проконтролировать. Это плохо. Если у квантово-механической системы появляются каналы распада, которые вы не контролируете, это значит, что вы больше не знаете полностью ее состояние. Это с одной стороны. С другой стороны, атом легко изолировать. Если вы работаете с твердым телом, то там вокруг огромное число частиц, каждая из которых обладает своим полем, начинает влиять на вашу квантовую систему, и это сильно усложняет работу.
Конечно, с атомами сложнее представить себе, как вы построите какой-то процессор. Гораздо привычнее выглядит система, собранная на кремниевом чипе. Но фактически успехи квантовых вычислений на кремниевых чипах как раз не очень-то и велики, в то время как на атомах уже сейчас проводятся довольно сложные операции.
Плюс нашей работы в том, что все элементы, которые мы используем, технологически не слишком сложные, они могут выпускаться в массовой промышленности. Есть, конечно, необходимость в лазерном охлаждении, но его тоже сейчас научились делать вблизи чипов. Поэтому, мне кажется, это может быть вполне сильная, масштабируемая квантовая технология, которая сочетает все плюсы атома с возможностью все-таки создавать большие чипы.
Когда вы говорите про масштабирование и про большие квантовые чипы, то, я так понимаю, для каждого атома из этой системы понадобится целый набор разных лазеров, которые будут его охлаждать и удерживать? То есть это будет такая безумно сложная система?
У атомов есть такое замечательное свойство — они все одинаковые. Мы в данном случае используем атом рубидия, поэтому одним и тем же лазером мы можем охладить все атомы рубидия, какие только есть в нашей системе. То же самое и с оптической ловушкой — с помощью одного лазера мы можем создать такое количество одинаковых ловушек, которое нам нужно.
Если попытаться представить себе квантовый компьютер, который может быть создан на базе нашего интерфейса, то он будет выглядеть как один большой чип с оптическими волокнами. Он будет лежать в вакууме, а над ним будут летать атомы, управляемые лазерами.
box#1379156
Ваша система, насколько я понимаю, может быть использована не только при создании квантового компьютера, это дело довольно отдаленного будущего, но и для создания каналов защищенной квантовой связи. Речь идет о создании квантового повторителя. Расскажите, пожалуйста, что это такое?
Повторитель — это устройство, которое подхватывает затухающий сигнал и переотправляет его дальше по сети. В случае квантовых сетей по ним распространяются фотоны в квантовой суперпозиции, запутанные фотоны. Чтобы с ними работать, нужно уметь сравнивать фотоны в парах. А чтобы сравнивать, нужно либо синхронизировать все-все-все устройства до долей фемтосекунды, что невозможно, либо уметь хранить квантовые состояния. Вот тут наш интерфейс как раз может быть очень полезен, так как с его помощью мы можем «записать на атом» квантовое состояние фотона, не разрушая это состояние измерением. И тут как раз очень хорошо, что у нас атом напрямую связан с волокном — волокно можно прямо-таки втыкать в обычную оптоволоконную сеть.
Недавно «Лента.ру» как раз писала про то, что обычные оптические волокна можно использовать для передачи квантового шифра.
Да, но только на небольшие расстояния — до 100 километров, может, чуть больше. А дальше проблема в том, что классический усилитель не может передавать квантовые сигналы, нужны принципиально другие устройства. С самим волокном проблем как раз нет.
Когда такие устройства будут созданы, пока сказать сложно. Уже стартовал конкурс на создание квантовых повторителей, в рамках которого лет через пять должны появиться промышленные образцы. Его финансируют DARPA и другие крупные агентства, но яркого лидера в этом конкурсе пока нет.
А вы собираетесь участвовать в создании квантового повторителя?
Возможно. В принципе, это очень в русле Квантового центра — повторителями у нас вот и Саша Львовский занимается. Просто я сейчас сфокусировался на немного других работах: на квантовых симуляторах на холодных атомах, на детекторах, сенсорах, на твердотельных источниках.
А с коммерческой точки зрения создание квантовых повторителей может быть интересно?
Да, конечно, это ведь секретные линии связи. Таким компаниям, как банки, особенно европейские банки, это очень интересно. Мы пока не получили финансирования ни от одного банка, но взаимодействуем сейчас довольно плотно с компанией ID Quantique, которую уже поддерживает фонд QWave (Quantum Wave Fund). Возможно, у нас будет компания, которая станет заниматься не просто разработкой, а уже продажей квантовых линий связи таким заказчикам.
Сейчас у подобных систем есть сильное ограничение в 100 километров, то есть на практике это означает создание сети только в пределах одного города. Когда появится квантовый повторитель, то рынок может очень сильно расшириться.
Наверно, и государственные агентства такими вещами интересуются?
Конечно, но мы пока с некоторой осторожностью говорим с государственными агентствами, потому что это, естественно, военные агентства. Нам не очень хочется в этом участвовать.
А с DARPA вы взаимодействуете?
Мы не можем получать деньги от DARPA, мы — российская организация. Хотя DARPA и является квазивоенным агентством, но оно не накладывает очень больших ограничений на исследователей. Когда я в Гарварде, то DARPA меня совершенно ничем не пугает, а здесь я немножко опасаюсь.
Опасаетесь того, что не дадут публиковаться?
Не дадут публиковаться, можно легко стать невыездным. В Штатах тоже можно в такую историю попасть, но там проще вовремя остановиться. Хотя и там я знаю достаточно невеселые примеры. Взаимодействие с военными — это вещь очень специфическая, которой мы пока пытаемся избегать. Не знаю, насколько долго это будет продолжаться, но пока мы ведем себя осторожно.
Понятно. Ваша работа по созданию интерфейса где была выполнена? Где находится та установка, о которой мы говорили?
Сделана она была все-таки в Гарварде, потому что в Российском квантовом центре мы пока только еще строим свои установки. У нас есть, конечно, совместные лаборатории с физическим институтом, с МГУ, с Черноголовкой, но все-таки в основном мы новые установки только строим. Поэтому, поскольку это был трехлетний проект, он был сделан на базе Гарварда, мы туда ездили.
А что вы строите сейчас в Российском квантовом центре?
Это несколько другая история — мы строим квантовые симуляторы на основе холодных атомов, атомов тулия. Это наше российское достижение, — мы единственные в мире, кто умеет охлаждать атомы тулия. Сейчас мы строим такую большую ловушку, чтобы использовать ансамбли из миллионов атомов при моделировании разных материалов.
Что вы имеете в виду под моделированием? Как можно с помощью атомов моделировать материалы?
Основная идея заключается в том, что атомы в оптической решетке очень похожи на электроны в твердом теле. Поэтому, меняя параметры решетки, можно моделировать разные явления в твердых телах.
Можно, например, смотреть, как возникает магнетизм и какой при этом получится магнетик. Можно моделировать сверхпроводимость, пытаться достичь сверхпроводимости при комнатной температуре. Можно просто моделировать такие параметры материалов, как жесткость, проводимость, строить материал буквально по атомам. Образно говоря, мы как бы делаем физический макет материала из атомов, как архитекторы делают макет здания из картона. А когда вы уже поняли, какой материал вам нужен, дальше можно работать с химиками, чтобы они попробовали его создать.
И эта установка как раз находится в Сколково, прямо в бизнес-школе. В подвале этого здания, в самом лучшем месте, где нет вибраций, у нас сейчас она собирается. Прямо сейчас, пока я с вами разговариваю, — я как раз только что из лаборатории пришел.