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

Проект направлен на разработку перспективных информационных и телекоммуникационных квантовых интерфейсов и исследование кооперативных квантовых явлений. В рамках проекта мы рассматриваем теоретические подходы, которые позволяют эффективно решать уравнения, описывающие взаимодействие световых полей, атомных ансамблей, а также механических маятников (мембран). Такие системы представляют значительный интерес при создании сверхчувствительных гравитационных детекторов, атомных часов, квантовой памяти, а также квантовых вычислительных устройств и реализации протоколов квантовой телепортации, т.е. передачи квантовой информации на большие расстояния. Кроме того, они используются для проверки фундаментальных физических законов. В частности, большое внимание уделяется теоретическому исследованию явления суперизлучения в атомных ансамблях, на основе которого могут быть созданы так называемые «суперизлучательные лазеры». Данный тип лазеров является сверхчувствительным физическим прибором, который необходим для создания прецизионных атомных часов следующего поколения, и кроме того, позволяет теоретически и экспериментально исследовать кооперативное поведение атомных ансамблей.

Точное математическое описание таких систем и явления сверхизлучения и решение соответствующих физических уравнений является весьма непростой математической задачей, решение которой оказывается недоступно даже современным компьютерам. Теоретический подход, который разрабатываем мы, позволяет существенным образом упростить математическое описание рассматриваемых физических систем за счет использования ряда физических приближений, основанных на анализе реальных физических экспериментов. Благодаря сделанным приближениям, нам удалось «убрать» из математического описания всю несущественную информацию, но сохранить при этом все физические особенности исследуемой системы. Более того, у нас получилось это сделать и для случаев, когда атомы ансамбля имеют сложную структуру энергетических уровней, т.е. вместо простых модельных атомов мы смогли рассмотреть атомы, которые используются в реальном физическом эксперименте, что важно и весьма существенно для лабораторий, занимающихся физическими экспериментами. Последнее подтвердилось значительным интересом к нашему проекту со стороны экспериментальных групп из Дании и Швейцарии.

основные результаты по проекту в целом

1. Был проведен научный доклад руководителя проекта Тихонова К.С. по теме «Оптимизация квантовых вычислений на гибридных кластерных состояниях», в рамках которого были представлены результаты исследований, проводимых в рамках лаборатории Квантовой оптики СПбГУ.

2. Была продолжена разработка обобщенного метода среднего поля для теоретического исследования взаимодействия ансамбля атомов рубидия со световым полем, в котором учитываются корреляции старших порядков между отдельными частицами ансамбля. Для этого мы использовали, исследованную нами ранее матрицу плотности для кумулянт, построенную с помощью так называемого «кластерного разложения» и соответствующих производящих функций для кумулянт и моментов.

3. Для упрощения математического описания мы рассмотрели атомный ансамбль с учетом перестановочной симметрии между его отдельными частицами. Это позволило существенным образом сократить количество переменных в задаче. Кроме того, мы значительно упростили явный вид уравнения Линдблада, описывающего квантовую эволюцию физической системы, благодаря симметризации операторного базиса, использованию вложенных коммутаторов и антикоммутаторов и соответствующих перестановочных свойств матриц Гелл-Манна. Это позволило перейти к разработке эффективного компьютерного кода, решающегося соответствующие дифференциальные уравнения.

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 готовятся 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. В ходе визита было проведено непосредственное обсуждение проекта с группой из университета Базеля, возглавляемой профессором Филиппом Тройтляйном (Philipp Treutlein) и занимающейся физическим экспериментом в данной области, с целью дальнейшей коллаборации.

7. Визит Тихонова К.С. отмечен немецкой стороной сертификатом признательности.
Короткий заголовокИсследование квантовых гибридных систем
АббревиатураExchange 2019_1
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания15/08/197/09/19

Ключевые слова

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