Дойти до точки

Квантовые компьютеры еще недавно казались вещью совершенно фантастической. Но будущее, как известно, наступает быстро – работы по созданию таких машин уже идут полным ходом. Научный сотрудник лаборатории квантовой фотоники Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе, кандидат физико-математических наук Максим Рахлин работает над источниками однофотонного излучения для систем квантовой криптографии и квантовых вычислений. За свои исследования молодой ученый недавно был удостоен медали Российской академии наук с премией. Вскоре после церемонии награждения «Поиск» обратился к Максиму с просьбой рассказать о предмете его исследований.

– Квантовые вычисления и квантовые коммуникации сегодня активно развиваются во всем мире, они востребованы не только государственными организациями, но и различными коммерческими структурами, – говорит Максим Рахлин. – Такие огромные транснациональные компании, как Google или IBM, вкладывают десятки миллионов долларов в развитие этой области науки. Подобными разработками занимаются в США, Канаде, Франции, Великобритании, других странах. Я бы назвал XXI век веком квантового противостояния. В этой области сейчас идет самая настоящая гонка. Тот, кто первым сделает квантовый компьютер, получит значительное преимущество в различных областях: научной, энергетической, транспортной.

Россия не отстает. В рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» ведутся активные исследования. В этих проектах участвует большое количество научных групп. Чтобы выиграть «квантовую гонку», требуется слаженная работа самых разных специалистов: инженеров, технологов, физиков, программистов. И я рад, что мне посчастливилось внести свой небольшой вклад в это дело.

– Что представляют собой источники однофотонного излучения?

– Однофотонными источниками света (или однофотонными излучателями) называют источники, которые излучают свет в виде отдельных фотонов. Во-первых, фотоны – это идеальный физический носитель квантовой информации, потому что они слабо взаимодействуют с окружающей средой. Например, мы можем регистрировать фотоны, которые звезды испустили миллионы лет назад. Во-вторых, состоянием однофотонных кубитов сравнительно просто управлять экспериментально.

Есть несколько систем, которые позволяют получить однофотонное излучение. Например, это молекулы, центры окраски в алмазе, дихалькогениды переходных металлов. Непосредственно я занимаюсь изучением и разработкой однофотонных источников на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Они представляют собой область одного полупроводникового материала внутри другого, их размеры имеют нанометровый масштаб. В результате энергия носителей заряда, заключенных в квантовых точках (например, электронов), оказывается квантована, то есть может принимать только определенные значения. На мой взгляд, сегодня это наиболее перспективная система для создания источников одиночных фотонов.

– Понятия «квантовая криптография» и «квантовые вычисления» слышали многие. И все же напомните читателям, что они означают.

– Квантовая криптография – это способ кодирования и передачи данных посредством квантовых состояний фотонов. В отличие от классического канала связи квантовый невозможно прослушать незаметно для адресатов, так как нельзя провести измерение квантового состояния таким образом, чтобы оно не нарушилось.

Идею использовать квантовые методы для защиты информации выдвинул Стивен Визнер в начале 1970-х годов. А дальше эта область науки стала стремительно развиваться. В 1984 году Беннет и Брассар опубликовали первый квантовый протокол передачи данных (алгоритм, который описывает механизм работы квантовой связи) BB84 (по первым буквам фамилий ученых – Bennett and Brassard – и год создания). И уже через пять лет они провели первые эксперименты. В 2007-м в Швейцарии систему квантовой защищенной связи стали использовать для сохранения данных о результатах голосования.

Теперь о квантовом компьютере. Это вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовую суперпозицию, квантовую запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер в отличие от классического оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Пока мы не произвели измерения, кубит сразу находится в двух состояниях – 0 и 1. Но после измерения он строго принимает либо одно значение, либо другое.

Предполагается, что квантовые компьютеры будут способны решать задачи, на которые классические компьютеры потратили бы миллионы лет. Это, например, моделирование молекулы ДНК или разработка новых лекарственных препаратов. Я надеюсь, что в ближайшем будущем квантовые компьютеры смогут решать проблемы подобного плана, однако пока созданы только экспериментальные установки в университетских лабораториях. В США компания Google продемонстрировала квантовый процессор Sycamore на базе сверхпроводящих систем. При его помощи удалось выполнить очень сложный программный расчет всего за 200 секунд. Самому мощному суперкомпьютеру для решения данной задачи понадобилось бы гораздо больше времени.

Как я уже сказал, в России так же, как и во всем мире, ведутся активные разработки в этих областях. Если 10 лет назад отставание от зарубежных научных групп у нас было достаточно большим, то сейчас оно сведено к минимуму, а по некоторым направлением наши научные коллективы – мировые лидеры.

– Расскажите о вашем вкладе. С какими проблемами сталкиваетесь и как их решаете?

– После ряда экспериментов по получению однофотонного излучения нам стало понятно, что для большинства новых квантовых технологий необходимо создать неклассические источники света с улучшенными свойствами, например, с высокой скоростью генерации однофотонного излучения.

Благодаря многообразию технологически доступных систем квантовых точек можно изготавливать однофотонные излучатели от среднеультрафиолетового до оптического телекоммуникационного С-диапазона (1,55 мкм). Уникальность нашей лаборатории в том, что мы исследуем различные системы квантовых точек. Это помогает разрабатывать источники одиночных фотонов как для квантовой криптографии, так и для квантовых вычислений. Чем отличаются эти источники? Для квантовых вычислений одиночные фотоны, которые излучила квантовая точка, обязательно должны быть неразличимы, то есть обладать одинаковыми характеристикам, в особенности энергией и поляризацией. Для квантовой же криптографии необходимо лишь, чтобы источник был однофотонным и излучал фотоны в телекоммуникационном диапазоне длин волн, это нужно для квантовой передачи ключей на большие расстояния через оптоволоконные линии связи.

Излучение, регистрируемое от исследуемой квантовой точки, может оказаться неоднофотонным по разным причинам. Такой источник уже непригоден ни для квантовых вычислений, ни для квантовой криптографии. Поэтому моя основная задача заключается в определении физических основ функционирования и методов реализации однофотонных источников на основе квантовых точек для различных спектральных диапазонов.

– Что собой представляет оборудование, на котором вы работаете?

– Наши источники одиночных фотонов состоят из одиночной квантовой точки, расположенной в оптическом микрорезонаторе. Исследования проводятся с помощью сложнейшей оптической установки, которая занимает почти всю комнату, с криогенными температурами (порядка минус 265⁰С). Рабочий процесс довольно непростой. Одна только настройка оптической схемы может занимать до двух недель. Кроме того, сначала нужно провести теоретические расчеты, изготовить по этим расчетам образец, сделать постростовую обработку – только потом уже можно проводить измерения.

Важно то, что все этапы работы – от изготовления образца до измерения его оптических характеристик – у нас организованы в рамках одной лаборатории. Зарубежные же коллеги зачастую структуру образца теоретически рассчитывают в одной стране, изготавливают во второй, а измерения проводят в третьей, что сильно затягивает процесс.

– Вы создаете что-то уникальное или известное, но адаптированное к условиям страны?

– В мире исследованием источников одиночных фотонов на основе квантовых точек занимаются несколько научных групп. Когда мы только начинали проводить исследования, то в первую очередь ориентировались на работы зарубежных коллег. Но вскоре смогли занять свою нишу. Это не только моя заслуга, это работа всей лаборатории квантовой фотоники, состоящей из 30 человек, которая была специально создана в ФТИ им. А.Ф.Иоффе для решения подобного рода задач.

– Медаль Российской академии наук и премия для молодых ученых, которых вы удостоены, стали новыми стимулами, придали вам уверенности?

– Я бы сказал, что эта награда – хорошее подспорье для будущих исследований. Она помогла мне еще раз убедиться, что я на правильном пути. Мне очень приятно, что ученые, которые рецензировали мою работу, смогли высоко ее оценить: для любого исследователя важен взгляд со стороны. Ну, и добавлю, что впереди еще будет много проблем и задач, которые вместе со своими коллегами я буду стараться решить.

Фирюза Янчилина