Искусственные атомы и их приложения А В Акимов

Искусственные атомы и их приложения А. В. Акимов

Российский Квантовый Центр: исследовательский центр нового типа § 10 научных групп § 8 лабораторий – Квантовая оптика – Квантовые симуляторы – Продвинутая фотоника – NV-центры в алмазе – Квантовые цепи – Коррелированные квантовые системы – Теория многих тел – Сверхвысокочастотные и механические системы § Мы проводим научные конференции и школы Фундаментальные исследования Интеграция в мировое сообщество § Взаимодействие с крупнейшими мировыми университетами и исследовательскими центрами – МГУ, МФТИ, Harvard, MIT, Max-Planck Institute for Quantum Optics § Консультативный совет, попечительский совет: – 2 Нобелевских лауреата ; – 2 человека из списка Forbes Новое поколение физиков Международный консультативный совет включает профессоров наиболее сильных мировых центров Michael Lukin, председатель – Harvard Univ. Wolfgang Ketterle – MIT Eugene Demler – Harvard Univ. Peter Zoller – Innsbruck Univ. Tommaso Calarco – University of Ulm Juan Ignacio Cirac – Max Planck Inst. Immanuel Bloch – Max Planck Inst. Rainer Blatt – Innsbruck Univ. John Doyle – Harvard Univ. Artur Ekert – Cambridge Univ. Carl J. Williams – NIST Gaithersburg Alexei Kitaev – Cal. Tech Univ. Eugene Polzik – Niels Bohr Institute Vladimir Shalaev – Purdue Univ. Прикладные разработки § Прикладные разработки (первые стартапы): – Оптические детекторы – Магнитные сенсоры – Квантовая криптография – Спинтронные устройства Попечительский совет, авторитетная экспертиза от индустрии Serguei Beloussov, председатель - CEO of Acronis, founder of Parallels David Jonathan Gross - director at the Kavli Institute for Theoretical Physics Paul Maritz - CEO of VMware Corporation Alexander Abramov - Chairman of the Board of Directors of Evraz Alexander Galitsky - co-founder of Almaz Capital Aleksei Mordashov - CEO of Severstal-group Nikolay Suetin – R&D director IT cluster, Skolkovo Foundation Serguei Kouzmine – Managing and Founding Partner, QWave 2 Andrey Ivaschenko – chairman of CHT

Результаты, достигнутые с Августа 2012 Направление Результаты § 8 новых лабораторий: – 5 лабораторий в Технопарке “Сколково” – МГУ – ИФТТ РАН (г. Черноголовка) – ФИАН § § § 10 Руководителей научных групп Руководители групп избираются на международной конкурсной основе под контролем X-Com Около 100 исследователей § Более 50 публикаций в ведущих научных журналах, включая Инфраструктура Сотрудники ‐ ‐ Исследования 1 в Science, 4 в Nature, 4 в Physical Review Letters Первые измерения кубита в России (совместно с МИСи. С) § Научные мероприятия 2 Международные конференции по квантовым технологиям § Научные школы для молодых ученых: § § – 250 участников весной 2013 и 2014 – Ведущие ученые (Harvard, MIT, Perdue, Cal. Tech, NIST …) Научные семинары проводимые учеными с мировым именем Широкое освещение в СМИ § Более 150 интервью и статей в различных изданиях, включая FORBES, РБК daily, Коммерсант, Эксперт. 3

Полученные результаты: инфраструктура Были построены с нуля и оборудованы 5 лабораторий и механическая мастерская: Модернизированы комнаты; Проведено электричество, установлены системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Эксперименты проводятся с лета 2013 года С момента запуска, собственные лаборатории RQC стали демонстрационной площадкой Фонда Сколково. 4

Команда проекта (руководители групп)* Георгий Шляпников h=53 § Ведущий в мире теоретик по сильно коррелированной квантовой материи § § Физика квантовых газов и жидкостей § § h=37 Сверхпроводящие квантовые схемы § § § Решения фотоники для квантовых технологий Квантовые методы и инструменты для живых организмов Квантовая микроволновая фотоника § § § Макроскопические запутанные состояния Характеризация квантово-оптических черных ящиков Квантовая томография Алексей Рубцов § § § h=27 h=15 Квантовые симуляции с атомом тулия Твердотельные интегральные квантовые схемы/детекторы Интегральные волоконно-оптические системы на квантовой логике с единичными атомами Владимир Белотелов § § § h=15 h=13 Исследования на стыке плазмоники и магнито-оптики Магнитоплазменные кристаллы Прикладная нанофотоника Николай Колачевский h=15 § Метод квантового Монте-Карло Точное измерение частоты оптические часы, измерения фундаментальных констант; § Физика конденсированного состояния Спектроскопия высокого разрешения, ультрастабильные лазеры, , лазерное охлаждение, исследования нелинейных резонансов в атомных парах Сильные нелокальные состояния Алексей Кавокин Инструменты фотоники, интерфейсы для квантовых технологий Алексей Акимов § § § Интегральная технология цифровой логики на сверхпроводимости/ферромагнетизме Александр Львовский h=42 § Ультра-холодная плазма Алексей Устинов Алексей Желтиков h=40 Михаил Городецкий § Физика оптики с высокой добротностью h=30 Оптические и терагерцовые источники излучения на экситонполяритонной основе § § § Микроволновые и механические системы § § Применение оптических микросфер в фотонике Мезоскопический перенос бозонного спина *детально в отдельной презентации Оптические и микроволновые резонаторы на основе шепчущей галереи 7

Наши партнеры в МФТИ • Кафедра квантовой радиофизики (ФИАН) • Кафедра проблемы квантовой физики (ИЛФ СОРАН) • Базовый институт - ФИАН

Кафедра Квантовая радиофизика Основные направления Ø Квантовая и нелинейная оптика Ø Нанооптика, нанофотоника и микроскопия ближнего поля Ø Квантовая информатика Ø Лазерная физика и взаимодействие излучения с веществом Ø Фемтосекундная оптика и спектроскопия Ø Оптоэлектроника, оптическая обработка информации и голография Ø Оптика и спектроскопия твердого тела и поверхности Ø Рентгеновская оптика и рентгеновская астрономия Солнца

Кафедра Квантовая радиофизика Основные направления Ø Физика сложных и экзотических атомно -молекулярных систем Ø Лазерное управление молекулярными системами со многими степенями свободы Ø Современная прецизионная спектроскопия Ø Создание сверхточных стандартов частоты и времени Ø Разработка новых фото- и электролюминесцентных устройств на основе наноструктур и органических комплексов Ø Спектроскопия полупроводниковых гетероструктур и материалов Ø Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование наноматериалов и наноустройств

Кафедра проблемы квантовой физики: Основные направления

И немного по делу…

Атомы – элементарная единица построения материи Атом глазами химика: s p Один электрон d Один электрон Много электронов Существуют стабильные обитали, на которых электрон может долго жить. На каждой может жить лишь два электрона разного спина.

Атом для физика Что интересно физикам? • ВСЕ! • Но чаще всего лишь один электрон… Главное стабильность! А сохраняющейся величиной является энергия E E 2 E 1 0 • Существуют стабильные уровни энергии • Между некоторыми из них возможны переходы • Переходы сопровождаются излучением энергии - фотона Атом для физика – набор уровней… … или источник фотонов.

Зачем нужны атомы? • Их можно изучать • С их помощь можно познавать мир и историю вселенной • Их можно использовать – Создавать материалы (как органические так и нет) – Создавать источники света, например лазеры или лампочки – Использовать для обработки информации – Использовать как сенсор – Использовать как часы –…

Главное – запутать! Состояния с определенной энергией являются единственно возможными? - НЕТ! E Атом может находиться в любой суперпозиции «состояний» : E 2 E 1 Или и вовсе запутаться со своим фотоном: 0

Пример: Поляризация света

Как понимать суперпозиции или запутанные состояния? Состояние Вероятность детектирования 1

“Внизу много места” (1959) “Когда мы говорим про очень, очень маленький мир, например электрические сети из из семи атомов - тогда должно произойти очень много новых явлений, которые могут дать совершенно новые возможности для дизайна. На малых масштабах атомы ведут себя совсем не так как на больших масштабах, потому что они подчиняются законам квантовой механики. …” Ричард Фейнман

Биты и квантовые биты Кубит это квантовое обобщение классического бита. Кубит строится из двух ортогональных состояний. Таких как спин, поляризация фотона, кольцевые токи в сверхпроводящем кольце. Классический бит Квантовые объекты являются волнам. Они могут быть в состоянии суперпозиции. Кубит Физическая реализация: спины 18 поляризация фотонов кольцевые токи

Квантовый регистр Классический регистр размерности 3 101 Почему квантовые компьютеры могут быть быстрее? Основная идея – за счет возможности создания суперпозиций они могут обрабатывать несколько «вычислительных путей» одновременно Именно “Глобальный параллелизм” квантовых компьютеров ускоряет вычисления 19 Квантовый регистр размерности 3 = a 0 [000] + a 1[001] + a 2 [010] + a 3 [011] a 4 [100] + a 5[101] + a 6 [110] + a 7 [111] Квантовый процессор

Который компьютер? компьютер эксперимент

Закон Мура Мощность компьютеров удваивается за каждые полтора года меньше = быстрее Со слов Гордона Мура “Экспонента не может быть вечной” 21

Наши альтернативы: Подавлять квантовые Использовать эффекты квантовые эффекты H Y= E Y Закон естественного роста. Закон Мора будет скоро следовать этой зависимости. “Квантовые технологии это радикальное изменение технологий. Они отличаются от современных технологий больше чем цифровой компьютер отличается от деревянных счет”. Вильям Филипс, Нобелевский лауреат 1997

Квантовые и классические компьютеры – краткий анализ Классический компьютер Квантовый компьютер Использует биты, имеющие два дискретных состояния, 0 или 1 Использует суперпозиционные состояния или квантовые биты. Выполняет одну операцию над регистром за раз Одна операция над квантовым регистром эквивалентна 2 N операций над классическим регистром той же длины N – потенциально огромное преимущество в скорости Биты могут поддерживать свое состояние неограниченное время. Легко масштабируется, т. е. если построить один бит и минимальный необходимый набор операций, то можно построить компьютер любого размера Бит хранит информацию ограниченное время, подвержен «декогерентности» . Масштабирование является трудной задачей. 23

Пример: самые точные часы в мире “Часы квантовой логики” лаборатории NIST используют ионы Алюминия. Это самые точные в мире часы Они используют логические операции, которые были разработаны в связи с квантовыми вычислениями в экспериментах по хранению информации в атомах квантовым вычислениям Новые алюминиевые часы будут ошибаться не более чем на секунду за 3. 7 миллиардов лет Компактная версия сверх точных атомных часов может стать основой для навигационных систем будущего. Такие системы смогут обходиться без водителей. Точность GPS определяется точностью часов Современная точность составляет метры, а нужны сантиметры.

Атомы обладают: • Четкой структурой уровней • отличными когерентными свойствами Но • Ими трудно манипулировать • Трудно создавать масштабируемые ансамбли атомов Пути решения: • • Учится управлять атомами Создавать искусственные атомы, которые легче масштабировать

Квантовые точки: Квантовое ограничение Time resolved fluorescence of Cd. Se nanocrystals usingle molecule spectroscopy, Brent R. Fisher, Ph. D theses, Massachusetts Institute of Technology 2005

Quantum dot

Qdot spectra

Qdot spectral diffusion Qdot electrical environment defines spectral jumps

Qdot time trace • Trap states turn dot off! • Different intensity lead to different decay rates due to fluctuation of non- radiative decay rate • Surface trap switch fast and suppress emission • Zn. S prevent trapping on the surface Ø Possible mechanism of fluctuation – coupling to charges outside the dot.

Квантовые точки, выращеные эпитаксией (In. As/Ga. As) S. Suraprapapich, et. al. , JVST-B, 23, (2005) C. Santori, et. al. NATURE |VOL 419 |p 594 (2002)

NV- атом в матрице ~40 ns e- ~13 ns ~300 ns NV- • Оптическое считывание состояния • Оптическое поляризация состояния • Микроволновый контроль над спином 32

Counting electrons • N: 2 s 2 2 p 3 • C: 2 s 2 2 p 2 • + 1 electron 1 N, 3 bonds, 2 left 3 C: 3 bonds each, 3 left + 1 electron 6 electrons total Spin 1 system Molecular like structure lead to molecular type level specification, based on symmetry groups e- NV-

Оптическое считывание и Микроволновый контроль NV Drive Green Readout 34

Toolbox time measurement ~ ms range* NV Drive Green Readout time measurement ~100 ns range* NV Drive Green Readout *for shallow implants

Измерение времени когерентности B B NV Drive Green B Readout 36

NV- центр – объект для QIP Оптическое считывание состояния Оптическая поляризация состояния Микроволновый контроль над спином Ядерный спин сохраняется в оптических переходах – возможность многократного считывания • Длинное время когерентности (~ms для электронного спина) • • ~40 ns NV Drive ~13 ns ~300 ns Green Readout 37

Простейший регистр • Окружающие спины можно использовать как память - регистр Liang Jiang Thesis, Lukin group

Resolving to NV nearby – correlation and STED (RESOLFT) approaches. Stimulated Emission Depletion microscopy • high resolution (down to 8 nm), but destructive! – Approach – store information in nuclear spins. – Challenge: speed of nuclear readout. J. Maze Ph. D Thesis, Lukin Group

How RESOLFT works J. Maze Ph. D Thesis, Lukin Group

Магнитометрия: детектирование одиночных спинов ü NMR: general purpose technique basis for many applications ü Sensing and control of single nuclei is a “holy grail” of NMR => structure of complex biological molecules => monitoring elementary chemical and biomedical processes … but requires detection of weak magnetic fields with nm resolution

Детектирование магнитного поля с Индивидуальными центрами: первые эксприменты ü Детектирование в рамках спинового эха single crystal sample “T 2” > 0. 5 ms ü Echo vs B field ν = 4. 2 ΚΗz /2 Control /2 ν = 3. 15 ΚΗz B-field ü Эхо чувствительно к переменному магнитному полю: более длинное время прецесси приводит к большей чувствительности J. Maze, J. Hodges, P. Stanvix et al, collaboration with R. Walsworth, A. Yacoby, Nature, (2008)

First experiments: sensitivity limits ü Experimental results for single NV centers: most sensitive in k. Hz -range (~1/T 2 ) ü Sensitivity (photon) shot-noise limited for averaging 0. 1 -100 s averaging time (sec) ü Current status: can sense Bmin ~ 10 n. T per sec in pure diamond 30 nm commercial nanocrystals ~ 0. 5 μT/Hz 1/2 J. Maze, J. Hodges, P. Stanvix et al, collaboration with R. Walsworth, A. Yacoby, Nature, (2008)

New approach to magnetic imaging ü Combining NV sensor with Atomic Force Microscope: • high sensitivity and nano-positioning ü Approach for detection, readout & manipulationof single electronic and nuclear spins Theory: J. Taylor, P. Cappalaro et al, ar. Xiv: 0805. 1367, Nature Physics, (2008), First scanning experiments by Stuttgart group: F. Jelezko et al. Nature (2008), related ideas by IBM group.

Example: scanning nanoscale sensing • Scanning spin tip 5 mum NV tip magnetic substrate NV florescence • Image of (classical) hard drive P. Malinetsky et al. , collaboration with R. Walsworth, A. Yacoby single atom inside

Neural circuit B-field imager Neural Circuit NV Diamond Sensor few μm Neuron action potential => 10 n. T field for 1 ms at one μm • Wide field-of-view (mm to cm) • Pixel resolution ~ 1 μm or below • 100 p. T Hz– 1/2 sensitivity per μm 3

Targeted Magnetometry in Living Cells • There are many different compartments (organelles) in a living cell. • Concentration of radicals characterizes organelle function, e. g. Peroxisome / Mitochondria (metabolics), Phagosome (pathogen digestion) • By targeting nanodiamonds to a specific organelle, we can perform organelle-specific magnetometry & radical sensing in a Lo, Sutton, Chisholm et al. (2011), collaboration with Park group living cell.

Квантовые сенсоры и средства получения изображений Азотные центры окраски скомбинированное с техникой обработки квантовой информации могут быть использованы для магнитометрии сверхвысокого разрешения Возможные приложения для безконтактного получения изображений в режиме реального времени

Квантовые системы связи Идея: используются квантовые процессы, которые могут быть измерены лишь раз и не могут быть в точности воспроизведены. • Реализованы квантовые сети на «малые» дистанции (<100 км) • Элементы памяти, связанные квантовыми каналами • Квантовые преобразования между фотонами и спинами. Проблема: Квантовый повторитель - Проблема в том, что усиление перепутанных состояний напрямую невозможно, поскольку невозможно копирование в обычном понимании

Квантовые линии связи

Критическая линия связи на Чемпионате Мира по Футболу в 2010 году в Южной Африке использовала квантовую технологию Возможно потребуется для Чемпионате Мира по Футболу в 2018 году в России?

Спасибо за внимание!