Одиночные фотоны могут использоваться в качестве элементов информации (кубитов) в квантовых компьютерах — вычислительных устройствах нового поколения, позволяющих решать задачи с исключительно высокой скоростью. Полупроводниковый прибор, способный управляемо излучать одиночные фотоны (кванты света) создали исследователи подведомственного Минобрнауки России Физико-технического института (ФТИ) имени А.Ф. Иоффе РАН.
Как отмечают ученые, на сегодняшний день такие источники c большими трудами могут быть изготовлены только на одной платформе — на эпитаксиальной квантовой точке InAs/GaAs, этим занимаются всего 3–4 ведущие команды в мире (французская, сборная немецко-китайская и сборная англо-швейцарская), среди которых лаборатория квантовой фотоники ФТИ имени Иоффе.
Квантовые компьютеры в отличие от традиционных компьютеров, которые оперируют двоичным кодом — битами (принимают только два значения 0 или 1), используют элементы квантовой информации — кубиты. Каждый из кубитов находится в суперпозиции (явление из квантовой механики), то есть может с определенной вероятностью находиться в одном из двух квантовых состояний.
Хотя полноценный квантовый компьютер пока не создан, исследования показывают, что для решения ряда задач такое устройство будет обладать так называемым квантовым превосходством — значительно более высоким быстродействием, чем традиционные компьютеры. Однако для создания и активного внедрения квантовых вычислительных устройств требуется разработать относительно недорогую и эффективную компонентную базу, с помощью которой возможно проводить квантовые вычисления.
«Мы разработали первый в России источник одиночных фотонов. Это устройство представляет собой структуру, центром которой является квантовая точка — искусственный полупроводниковый объект с предельно малыми размерами, обладающий многими свойствами одиночного атома. В силу своих уникальных характеристик квантовые точки являются квантовыми объектами, излучающими абсолютно одинаковые (неразличимые) одиночные фотоны, которые могут использоваться в качестве кубитов в квантовых вычислительных устройствах», — рассказывает заведующий лабораторией квантовой фотоники ФТИ имени А. Ф. Иоффе Алексей Торопов.
В основе источника одиночных фотонов лежит наноразмерная гетероструктура: многослойный полупроводниковый материал. Подложкой для нее выступает арсенид галлия — один из наиболее эффективных промышленно используемых полупроводниковых материалов. Он применяется для создания интегральных электронных схем, транзисторов, светодиодов, лазерных диодов и проч.
На поверхности подложки учеными ФТИ имени А. Ф. Иоффе с помощью сверхточных эпитаксиальных технологий (управляемого роста одного монокристаллического материала на другом) выращиваются квантовые точки — миниатюрные «островки» арсенида индия, окруженные арсенидом галлия.
«По своим характеристикам наш источник одиночных фотонов, созданный на основе эпитаксиальной гетероструктуры с квантовыми точками, не уступает зарубежным аналогам, а по некоторым свойствам даже превосходит их. Сейчас устройство используется учеными Центра квантовых технологий МГУ, которые ведут разработки квантовых компьютеров. В перспективе эта работа направлена на создание отечественного универсального квантового компьютера для выполнения различных вычислений», — отмечает Алексей Торопов.
Сейчас ученые лаборатории работают над совершенствованием характеристик гетероструктур с квантовыми точками. В будущем это позволит применять источники одиночных фотонов не только для создания вычислительных устройств, но и для квантовых коммуникаций на линиях связи с предельно высоким уровнем защиты информации от взлома. Такие исследования лаборатория инициировала в рамках взаимодействия с ОАО «РЖД».
Разработки исследователей ФТИ имени А. Ф. Иоффе проводятся в рамках Дорожной карты «Квантовые вычисления», разработанной ГК «Росатом», которая была утверждена в июле 2020 года на президиуме правительственной комиссии по цифровому развитию под председательством вице-премьера РФ Дмитрия Чернышенко. Среди основных задач Дорожной карты — объединение усилий и компетенций ведущих отечественных научных центров для создания квантовых компьютеров на основе различных физических принципов.
Финансирование всего проекта в рамках национальной программы «Цифровая экономика» до 2024 года запланировано в объеме более 23 млрд рублей бюджетных и внебюджетных средств.