Квантовые вычисления и коллективные эффекты в оптомеханических и атомно-полевых системах

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

описание

1. Имеющийся научный задел по проекту

Соискатель более семи лет успешно работает в лаборатории Квантовой оптики СПбГУ. За это время им была защищена кандидатская диссертация (2015 год) под руководством профессора Голубевой Татьяны Юрьевны и получено несколько внешних грантов на проведение исследований от РФФИ и РНФ. Согласно прилагаемому списку публикаций у соискателя имеется существенный задел в области изучения различных протоколов квантовой памяти и источников неклассического света, а также генерации квантовых кластерных состояний. В частности, соискатель является соавтором научной работы, посвященной бесшумовому управлению формой квантового сигнального поля и генерации квантовых кластерных состояний с помощью ячейки многомодовой квантовой памяти, а также работы о генерации квантовых кластерных состояний на основе многомодового излучения субпуассоновского лазера, которые были опубликованы в 2017 и в 2018 годах. Кроме того, в рамках предыдущего визита соискателя в группу профессора Хаммерера были получены научные результаты, которые готовятся к публикации в научном издании, что подтверждается в пригласительном письме.

2. Обоснование выбора принимающей организации

Ганноверский университет им. Лейбница является одним из лучших научно-исследовательских учреждений Германии и Европы. Теоретическая группа под руководством профессора Клеменса Хаммерера является одной из сильнейших групп в области квантовых оптики и информатики. Ее сотрудниками были разработаны новые теоретические методы и подходы, которые были успешно использованы для решения многих актуальных научных задач, чему служат подтверждением публикации в научных изданиях с высоким импакт-фактором, входящие в «Nature Publishing Group» и «The American Physical Society». Кроме того, предыдущий визит соискателя в Ганноверский университет им. Лейбница был положительно оценен как сотрудниками лаборатории Квантовой оптики СПбГУ, так и самим профессором Хаммерером и его коллегами, поэтому в продолжении сотрудничества заинтересованы и соискатель, и обе научные группы. Это подтверждается сертификатом признательности в приложении к заявке.

3. Связь темы проекта со специализацией принимающего ученого

Профессор Клеменс Хаммерер является одним из ведущих специалистов в области квантовых оптики и информатики (индекс Хирша по WoS: 39, по Scopus Author Id: 31) и автором многих новаторских идей, связанных с исследованием квантовых оптомеханических и атомно-полевых систем. Он является соавтором большого числа научных публикаций, посвященных созданию квантовых интерфейсов для задач квантовой информатики. Кроме того, его группа поддерживает постоянный контакт с экспериментальными группами из Дании, Германии и Австрии, что обеспечивает актуальность исследуемых вопросов.

Дополнительная информация:
Prof. Dr. Klemens Hammerer
Scopus Author Id: 6507027737
Индекс Хирша (Scopus Author Id): 31

описание для неспециалистов

В рамках проекта ведется исследование перспективных квантовых интерфейсов, в которых задействованы световые поля, атомы (или молекулы), а также механические мембраны. Такие физические системы оказываются весьма интересны не только с точки зрения фундаментальной науки, но также и для ряда актуальных информационных и телекоммуникационных приложений, в частности, создания различного рода сверхчувствительных детекторов, а также протоколов обработки и передачи квантовой информации (квантового компьютера, квантовой телепортации, квантовой криптографии и т.д.). Математическое описание взаимодействия таких систем является непростой задачей. В частности, для описания взаимодействия света с парами используемых в эксперименте рубидия (или цезия), содержащими всего 40 атомов, потребовалось бы решить порядка триллиона (2 в степени 40) дифференциальных уравнений, что недоступно даже самым мощным современным супер-компьютерам. В связи с этим разрабатываются теоретические методы, основанные на физических особенностях задачи, которые позволяют эффективным образом уменьшить количество решаемых уравнений. Наш подход позволяет снизить количество дифференциальных уравнений, описывающих поведение системы, до 20 000, решение которых доступно даже для персональных компьютеров. Это достигается за счет учета перестановочной симметрии между атомами ансамбля, а также использования кумулянт для описания корреляций (т.е. взаимосвязи) между отдельными атомами. Это, естественно, позволит лучше понять физические свойства и особенности таких гибридных квантовых систем.

Кроме того, в рамках проекта рассматриваются гибридные атомно-полевые кластерные состояния, т.е. особые состояния световых импульсов и атомных ансамблей (некоторой совокупности атомов), позволяющих выполнять квантовые логические операции. Нашей целью являлось создание такой системы, которая позволила бы не только выполнять логические операции, но также длительное время хранить информацию. Это оказывается крайне важно, так как квантовые системы весьма чувствительны к любым внешним шумовым воздействиям или, другими словами, процессу декогеренции. Декогеренция является основным препятствием для создания эффективного квантового компьютера, и мы предложили подход, позволяющий существенным образом уменьшить ее влияние.

основные результаты по проекту в целом

1. Был проведен научный доклад руководителя проекта Тихонова К.С. по теме «Реализация универсальных квантовых логических вентилей на гибридных кластерных состояниях», в рамках которого были представлены результаты исследований, проводимых в рамках лаборатории Квантовой оптики СПбГУ. В ходе доклада был озвучен ряд вопросов и предложений, которые будут учтены при публикации научной статьи в журнале «Оптика и спектроскопия» осенью 2019-ого года.

2. Была продолжена разработка обобщенного метода среднего поля для теоретического исследования взаимодействия поляризованного (или спинового) ансамбля со световым полем, в котором учитываются корреляции между отдельными частицами ансамбля. Для этого мы совершили переход от производящей функции моментов, описывающей корреляции между спинами отдельных частиц, к производящей функции кумулянт (или полумоментов). Замечательной особенностью последних является то, что в случае, когда в системе присутствуют корреляции между (N-1) частицей включительно и отсутствуют корреляции между N частицами (и, соответственно, большим числом частиц), все кумулянты, начиная с N-ного порядка, будут тождественно равны нулю. Этот свойство кумулянт используется в так называемом «кластерном разложении» (или «разложения по кумулянтам»). В отличии от данного подхода нам удалось ввести аналог оператора плотности для расчета интересующих нас квантово-механических средних от наблюдаемых физических величин. Это является существенным упрощением метода «кластерного разложения», которое позволит описывать корреляции старших порядков в ансамбле атомов, содержащим большое число частиц.

3. Указанный теоретический метод был использован при рассмотрении ансамбля с перестановочной симметрией между частицами, т.е. в случае, когда ансамбль состоит из тождественных частиц. В частности, была рассмотрена ситуацию, при которой перестановка двух частиц ансамбля не приводит к изменению квантового состояния. Это позволяет существенным образом сократить количество переменных в задаче, тем самым упростив описание физической системы.

4. Мы планируем использовать разработанный метод для описания квантовых гибридных систем, в которых имеются опто-механические, атомные и световые (полевые) степени свободы.

5. По полученным результатам проекта планируется опубликовать две научные статье, которые должны выйти в 2019-2020 годах. Кроме того, результаты проекта будут представлены на научных семинарах в СПбГУ и общегородском семинаре по квантовой оптике в РГПУ им. Герцена, а также ряде международных конференций.

6. Визит Тихонова К.С. отмечен немецкой стороной сертификатом признательности.
Короткий заголовокИсследование квантовых гибридных систем
АббревиатураExchange 2019_1
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания29/06/1916/07/19

Ключевые слова

  • квантовые вычисления
  • квантовая оптика
  • квантовая оптомеханика
  • кластерные состояния
  • квантовая запутанность
  • квантовые гибридные системы