Микрорезонаторы c модами «шепчущей галереи» являются уникальными оптическими устройствами, сочетающими высокую (10^9 и более) добротность, локализацию поля в малом объеме и многомодовую структуру. Это позволяет использовать их во многих приложениях, включая создание узкополосных лазеров, чувствительных сенсоров, фильтров. Особый интерес представляет генерация Керровских частотных гребенок. В лаборатории когерентной микрооптики и радиофотоники РКЦ были созданы модели, описывающие генерацию солитонов и платиконов в микрорезонаторах, динамику затягивания в системе лазер–микрорезонатор, на их основе получены оригинальные экспериментальные результаты открывающие возможность создания недорогих компактных источников когерентных частотных гребенок, узкополосных лазеров, СВЧ генераторов. Перспективным представляется развитие интегральной технологии массового производства устройств на высокодобротных микрорезонаторах с заданными параметрами. Источники оптических гребенок на микрорезонаторах могут стать важным элементом квантовых измерительных, вычислительных и коммуникационных систем, поскольку способны обеспечить формирование многофотонных квантовых состояний высокой размерности.

Проектирование интегральных схем нового поколения, предназначенных для высокоэффективной обработки информации как классическими, так и квантовыми методами, представляет нетривиальную задачу. Это обусловлено, с одной стороны, желанием сохранить достигнутую степень миниатюризации транзистора с учетом уже внедрённых техпроцессов. С другой – стремлением существенно нарастить задающую частоту процессора путем использования в качестве носителей информации пространственно локализованных состояний электромагнитного поля на близких к оптическим частотах. Вместе с тем, уже созданные электронно-оптические схемы характеризуются медленным управлением, чисто оптические схемы требуют гигантских нелинейностей для реализации свет-свет взаимодействий.

Использование возникающих на границе раздела проводник/диэлектрик поверхностных электромагнитных волн – поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) – рассматривается как предпочтительная альтернатива. Так как ППП обладают оптическими частотами и возможностью локализации в пределах десятков нанометров, с их помощью удается добиться требуемых нелинейностей на наномасштабе.

Однако, недостатком ППП является малая длина распространения в известных средах, что ограничивает возможность выполнения алгоритмов с ними. В настоящей работе обсуждаются вопросы создания цифровой платформы для проектирования гибридных опто-плазмонных схем обработки информации. За основу проектирования выбраны такие перспективные материалы как графен, допированный графен, нитрид бора, и др., ожидаемое достижение высокотемпературной сверхпроводимости для которых способно решить проблему затухания ППП. В качестве центров обработки информации выбраны полупроводниковые без- и оболочечные квантовые точки (КТ) на основе соединений A3B5 и A2B6.

Использование размерных эффектов, т.е. зависимости частот и дипольных моментов межуровневых переходов от размера и формы КТ позволяет спроектировать логические элементы и триггеры, соответствующие различным схемам ППП-КТ взаимодействия. В качестве примера, показана возможность проектирования и численного моделирования работы полностью плазмонного переключателя для ППП мод (режим классического поля) на основе графенового волновода с интегрированным в него штырьевым нанорезонатором, загруженным полупроводниковой InN/GaNКТ. В основу устройства положено использование сильного нелинейного взаимодействия между плазмон-поляритонными модами в условиях лестничной схемы межуровневых переходов в КТ.

В качестве развития темы показана возможность реализации двухкубитных квантовых логических элементов в нанорезонаторе с КТ, возбуждаемых одноквантовыми ППП-импульсами. Предложен способ управления типом квантового преобразования путем вращения угла поляризации пары ППП мод,предварительно стимулирующих КТ и инициализирующих ее начальное состояние.

По мере разработки элементной базы квантовых вычислительных устройств непременно встаёт вопрос контроля качества получаемых квантовых преобразований. Одним из наиболее распространённых подходов является рандомизированный бенчмаркинг (randomized benchmarking), позволяющий экспериментально определять точность преобразования путём реализации цепочек случайных вентилей из группы Клиффорда. Для полной характеризации неизвестного квантового преобразования требуется выполнять более трудоёмкую процедуру: томографию квантового процесса.

К настоящему времени разработано множество различных методов, позволяющих выполнять томографию квантовых процессов с высокой точностью. Большинство из них, однако, рассматривают модель идеальных измерений, которая в условиях реального эксперимента существенно ограничивает точность, давая неадекватную оценку параметров исследуемого квантового процесса.

Среди существующих подходов к решению проблемы ошибок измерений можно выделить томографию «пустого» преобразования [1], томографию процессов с использованием рандомизированного бенчмаркинга (randomized benchmarking quantum tomography) [2] и томографию набора гейтов (gate set tomography) [3]. В настоящем докладе будет представлен обзор данных методов и будут продемонстрированы наши последние результаты, являющиеся синтезом некоторых из этих идей и разрабатываемым во ФТИАН им. К.А. Валиева РАН корневым подходом.

[1] Bantysh B.I. et al. High-fidelity quantum tomography with imperfect measurements // Proc. SPIE 11022, 110222N (2019).

[2] Johnson B.R. et al. Demonstration of robust quantum gate tomography via randomized benchmarking // New J. Phys. 17(11), 113019 (2015).

[3] Blume-Kohout R. et al. Demonstration of qubit operations below a rigorous fault tolerance threshold with gate set tomography // Nat. Commun. 8, 14485 (2017).

В рамках доклада будет представлена совместная работа Афанасьева А.E., Машко А.М., Мейстерсон А.А., Мелентьева П.Н., Балыкина В.И. Взаимодействие холодных атомов с локализующим дипольным потенциалом приводит к сдвигу и уширению измеряемых спектральных линий локализованных атомов. Одним из возможных подходов, позволяющих минимизировать такое воздействие, является переменное воздействие на атомы локализующего и зондирующего лазерных полей. Такой подход был впервые предложен в работе J.Dalibard, S.Reynaud and C. Cohen-Tannoudji, “Proposals of stable optical traps for neutral atoms”, Opt.Commun., 47, 395 (1983) и получил своё дальнейшее развитие, в частности, для построения источников единичных фотонов с использованием единичных локализованных атомов (S. Garcia, D. Maxein, L. Hohmann, J. Reichel, and R. Long, “Fiber-pigtailed optical tweezer for single-atom trapping and single-photon generation”, Appl.Phys.Lett, 103, 114103 (2013).

Предельным случаем импульсного взаимодействия атома с локализующим полем является использование для пространственной локализации атомов лазерного излучения фемтосекундной длительности. Впервые использование такого излучения для локализации атомов дипольной силой было рассмотрено в работах V.I. Balykin, “Motion of an atom under the effect of femtosecond laser pulses: From chaos to spatial localization”, JETP Letters, 81, 209 (2005) и D.N. Yanyshev, V.I. Balykin, Y.V. Vladimirova, V.N. Zadkov, “Dynamics of atoms in a femtosecond optical dipole trap”, Physical Review A, 87, 033411 (2013). Сокращение длительности импульса уменьшает время взаимодействия атома с лазерным полем до 10^-7—10^-8 от полного времени локализации, таким образом, атом остается свободным более 90% времени локализации.

Первая успешная экспериментальная демонстрация дипольной ловушки атомов с использованием импульсного излучения фемтосекундной длительности недавно была произведена в Лаборатории лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН. В докладе будут рассмотрены основные отличия локализации атомов с использованием импульсного и непрерывного излучения, а так же спектральные свойства локализованных атомов.

Прямая лазерная запись микро- и нано-структур в объёме прозрачных кристаллов и стёкол пучком фемтосекундного лазера (femtosecond direct writing) – эффективная и многогранно развивающаяся технология, востребованная в создании компактных лазерных источников, оптических сенсоров, лабораторий на чипе (lab-on-chip), оптических чипов для квантовых вычислений, устройств для управления поляризацией и орбитальным угловым моментом, записи информации с неограниченным сроком хранения.

При наличии двух ключевых условий – 1) жёсткой фокусировки лазерного пучка в объёме в несколько куб. мкм, и 2) интенсивности лазерного импульса, достаточной для образования электронной плазмы плотностью порядка 10^20 см^-3 при умеренной энергии импульса, недостаточной катастрофического разрушения материала, происходит модификация, главным практическим следствием которой является изменение показателя преломления в диапазоне от 10^-4 до 0.1, которое может быть как положительным, так и отрицательным. Природа и механизм модификации различны и зависят как от материала, так и от параметров лазерного излучения, и они и определяют амплитуду изменения показателя преломления. Главным ограничением при записи криволинейных волноводов и волноводов с депрессированной оболочкой для среднего ИК является недостаточное изменение показателя преломления, приводящее к потерям через вытекание моды.

В докладе будут рассмотрены методы и условия повышения показателя преломления и уменьшения потерь на вытекание моды – тепловой режим модификации, диффузия ионов в многокомпонентных стёклах, легирование кристаллов, субнаносекундная гребёнка фемтосекундных импульсов. Последний основан на недавно обнаруженном эффекте увеличения амплитуды отрицательного изменения показателя под воздействием гребёнки фемтосекундных импульсов при расстоянии между импульсами в несколько десятков или сотен пикосекунд. Мы объясняем этот эффект резонансным накоплением деформации растяжения материала,которое усиливает воздействие электронной плазмы.

В беседе с кандидатом технических наук, старшим научным сотрудником, директором по научным проектам НИУ ВШЭ Сергеем Владимировичем Гарбуком мы коснемся следующих вопросов:

• понятие искусственного интеллекта. Общий и прикладной искусственный интеллект;
• технологические предпосылки развития систем искусственного интеллекта;
• прикладные задачи искусственного интеллекта в различных отраслях промышленности, сфере обороны и безопасности;
• вопросы подтверждения соответствия систем искусственного интеллекта предъявляемым требованиям.