Подслушать разговор фотонов

Михаил Лукин, один из самых успешных современных физиков, уверяет, что квантовые технологии вступают в стадию коммерциализации 
Еще лет пять назад о квантовой революции говорили в сослагательном наклонении. Сегодня многие теоретические идеи вплотную приблизились к реализации и привлекают интерес многочисленных венчуристов и прочих любителей рисковых инвестиций.

Среди разработок, которые могут стать катализаторами нового научно-технологического бума, — сверхточные квантовые измерительные приборы и сенсоры, квантовые материалы с контролируемыми физическими и химическими свойствами, квантовый интернет и квантовые криптографические системы, позволяющие осуществлять передачу различной информации в абсолютно безопасном режиме, и, наконец, сверхбыстрые умные компьютеры.

Не может при этом не радовать, что именно на квантовом фронте особенно заметно присутствие новой плеяды ученых и технарей с российскими корнями. Ярчайший представитель этой квантовой российской диаспоры — Михаил Лукин, крупнейший мировой специалист в области квантовой физики, квантовой оптики и квантовых технологий.

В 1993 году Михаил с отличием окончил факультет физической и квантовой электроники МФТИ. Вскоре один из корифеев мировой квантовой физики Марлон Скалли пригласил его в США. Сначала Лукин работал в Техасском университете A&M, где в 1998 году защитил диссертацию об использовании лазеров для контроля над средой, а затем в Гарвардском, где уже через два года осуществил пионерский эксперимент по остановке светового луча, а также разработал базовые методы хранения и последующего высвобождения волновых возбуждений, переносимых световыми пучками (фотонных квантовых состояний).

В 2004 году Михаил Лукин стал профессором физики Гарвардского университета, а позднее был назначен содиректором Гарвардского центра квантовой физики и специально созданного в том же Гарварде центра ультрахолодных атомов.

Наконец, последние несколько лет Михаил Лукин очень активно участвует в становлении и развитии нового научно-технологического оазиса на исторической родине — Российского квантового центра (РКЦ), возглавляя его Международный консультативный совет.

— Как вы оказались в Америке?

— В 1992 году я повстречался с известным американским ученым из Техаса Марлоном Скалли, который приехал в Москву на научную конференцию. К тому времени я уже начал заниматься квантовой оптикой под руководством Владимира Ивановича Манько, а Скалли был одним из отцов-основателей этого направления исследований. Мы с ним немного поговорили по-английски, хотя тогда я знал язык довольно плохо, и Скалли, вроде бы между делом, поинтересовался у меня, не хотел бы я продолжить обучение в аспирантуре. Я поначалу ответил уклончиво, так как тогда еще не слишком хорошо представлял свое будущее. И тут он неожиданно в лоб спросил: «Так когда ты приедешь ко мне в Техас?»

— И вы сразу же воспользовались этим предложением?

— Нет, я все-таки сначала окончил МФТИ. Точнее, я уехал в Америку, но вскоре вернулся и защитил диплом. Более того, успел после этого еще и посетить военные лагеря. И только затем уже окончательно перебрался в техасскую аспирантуру — в университете Texas A&M.

В этом университете сильно развиты практические инженерные направления: технологии нефтедобычи и нефтепереработки, очень неплохая электротехническая школа. А одним из ударных научных направлений там была специальная группа по квантовой оптике, которую создал в университете Марлон Скалли, ведущий разработчик теории лазеров, за последние лет сорок сделавший очень многое в различных областях физики. К нему съезжались для совместной работы и учебы специалисты и молодые студенты со всего мира, и в целом там царила удивительная творческая атмосфера. Скажем, аспиранты могли заниматься почти всем, чем угодно (разумеется, в рамках научной специализации), свободно реализовывать свои собственные идеи и проекты.

— Как долго вы учились и работали в этом университете?

— Примерно пять лет, с 1993-го по 1998-й. А уже потом я оказался в Гарварде, на постдоковской позиции. Причем мне очень повезло в том плане, что в Гарвардский университет меня пригласили на сверхльготных условиях: обычный постдок должен прикрепляться к какой-либо научной группе, тогда как мне предоставили возможность работать самостоятельно.

Благодаря этой творческой свободе в Гарварде мне и моим коллегам удалось успешно поставить и осуществить эксперимент по остановке света, и при этом нам сильно помогли гарвардские ученые, которые занимались схожей тематикой.
— Если можно, расскажите об этом эксперименте немного подробнее.

— Его предыстория была довольно любопытной. Пригласивший меня в США Марлон Скалли — прежде всего теоретик, и первые пару лет моего аспирантства я в основном занимался у него чистой теорией. Кроме того, мы активно работали над новым типом лазеров — лазерами без инверсии. Как известно, усиление лазера обычно достигается при помощи индуцированного излучения, которое, в свою очередь, требует так называемой инверсии заселенностей, то есть такого состояния физической системы, при котором количество возбужденных атомов превышает число атомов в основном, низкоэнергетическом состоянии.

И у нас тогда возникла идея, что можно попробовать как-то специально приготовить атомы, «помассировать» их, чтобы они не поглощали свет, а только испускали его, и тогда их инверсии уже не потребуется. Сначала это была чистая теория, но затем мы стали задумываться и над тем, как ее реализовать на практике. Правда, в то время мы еще экспериментальной работой почти не занимались, но как-то раз к нам пришел Скалли и сам сказал, что пора бы уже наконец перейти от идей к практике, а иначе, мол, никто их серьезно не воспримет. Более того, он сразу же предложил нам приступить к делу в выделяемой под это лабораторной комнате, закупил диодные лазеры нового типа, которые к тому времени уже стоили относительно недорого, и назначил меня ответственным за эксперимент.

Впрочем, оказалось, что с новыми лазерами никто в Техасе толком работать тогда не умел. Но я хорошо знал, что в московском ФИАНе есть группа специалистов под руководством Владимира Величанского, которые были одними из пионеров-разработчиков лазеров этого нового типа. Мы с ними связались, они очень заинтересовались нашей идеей, сам Володя приехал, а затем к нам присоединился один из его сотрудников Саша Зибров, вместе с которым, к слову, мы работаем в Гарварде до сих пор.

В итоге мы смогли провести в нашей новой лаборатории целую серию успешных экспериментов, в том числе уже в 1995 году сконструировали рабочий безынверсионный лазер.

Безусловно, решение этой серьезной задачи оказалось для нас очень полезным первым опытом, более того, один из тогдашних экспериментов позднее стал непосредственным прототипом нашего гарвардского эксперимента по остановке света. Причем, честно говоря, осуществить его на практике было очень просто, о чем, в частности, может свидетельствовать тот факт, что сейчас мы регулярно воспроизводим его на студенческих занятиях в процессе обучения методам спектроскопии. И в этом, наверное, и заключается прелесть науки: зачастую серьезных прорывов в ней удается достичь не при помощи какой-то сверхсложной новой аппаратуры, а просто благодаря успешной практической реализации пришедшей в голову правильной идеи.

Возвращаясь же к вопросу о нашем первом опыте по остановке света, должен сказать, что на самом деле этот эксперимент был осуществлен в каком-то смысле вынужденно. У Марлона Скалли намечался шестидесятилетний юбилей, и все его ученики и бывшие студенты решили сделать ему подарок в виде специального сборника научных работ. Но писать по такому поводу что-то проходное, формальное мне и моим коллегам не хотелось, поэтому мы стали думать над тем, чем бы его порадовать по-настоящему. И сошлись на том, что стоит попробовать довести до логического конца наш первый удачный эксперимент по замедлению света, то есть не просто его замедлить, а совсем остановить.

Но по большому счету эта идея остановки света все еще не вышла за чисто фундаментальные рамки. Эта техника применяется при разработке квантовой памяти, а сравнительно недавно обозначилось еще одно направление, на котором эти схемы уже пытаются практически развивать в системах без атомов. Оказалось, что схожие идеи можно реализовать, используя нанофотонные твердотельные элементы: при помощи этих элементов для фотонов создаются особые линии задержки. Так, специалисты IBM сконструировали экспериментальный интегрированный процессор, частью которого является оптический соединительный элемент (линия передачи на чипе). То есть на этом чипе реально используется «медленный» свет.

— И этот процессор эффективно работает?

— Пока это еще скорее рабочий прототип. К слову, его сделал Юрий Власов, который работает в одном из инженерных подразделений IBM. От первого, чисто фундаментального, эксперимента до первого практического выхода прошло чуть более десяти лет.

Наконец, возможно, самое перспективное направление связано с тем, чтобы использовать это новое состояние для достижения управляемого взаимодействия фотонов. Еще в 2001 году мы написали теоретическую работу, в которой показали, как можно заставить «разговаривать друг с другом» медленные световые фотоны, используя атомы. И поскольку при этом атомы начинают намного сильнее взаимодействовать друг с другом, данное явление можно использовать для осуществления различных интересных экспериментов.

Если вы помните, в известном сериале «Звездные войны» постоянно происходили сражения на световых мечах. И сегодня мы пытаемся осуществить нечто похожее в реальных экспериментах: создается особая среда, в которой отдельные кванты излучения, фотоны, как бы чувствуют присутствие других квантов, начинают притягиваться друг к другу. При этом получаются особые фотонные молекулы в достаточно устойчивом состоянии, то есть в каком-то смысле можно говорить, что мы наблюдаем некую новую форму материи.

— А уже есть какое-то специальное название для подобных новых форм материи?

— Устоявшегося варианта пока не придумали, но, как я уже сказал, сами мы называем их фотонными молекулами. Быть может, подобные эксперименты сегодня еще выглядят чересчур экзотическими, но у них уже вырисовываются заманчивые практические перспективы. По сути, достигнут фундаментальный физический предел, на котором может работать оптическая логика. Это очень важно как для дальнейшей практической реализации идеи квантового компьютера (последние лет пятнадцать—двадцать ученые упорно работают над созданием специальной нанофотонной логики), так и для классических оптических вычислителей и переключателей: чтобы последние были энергоэффективными, нужно достичь очень низких энергий действующих на них световых импульсов, то есть как раз уровня порядка нескольких масс фотонов.

Первые успешные эксперименты, проведенные в нашем гарвардском Центре холодных атомов (совместно с группой Владана Вулетича из Массачусетского технологического института), внушают большой оптимизм.

Еще одна интересная идея, также появившаяся у меня вскоре после осуществления первых опытов по остановке света, была связана с тем, чтобы попытаться использовать квантовую память в так называемых квантовых репитерах. Что это такое? Одна из важнейших составляющих наших исследований связана с изучением проблем передачи квантовой информации. Дело в том, что, если информация кодируется в одиночном фотоне, далее ее нельзя считать, не разрушив при этом исходную информацию. Иными словами, если вы детектируете такие фотоны, их состояние при этом сразу разрушается. И этот принцип, собственно, является ключевым для квантовой криптографии, занимающейся созданием таких закодированных линий связи, которые невозможно «подслушать». Причем, пожалуй, из всех квантовых технологий квантовая криптография в настоящее время — одно из наиболее продвинутых направлений. По крайней мере, уже можно купить криптографическую систему, позволяющую закодировать передаваемую информацию в отдельные фотоны и, используя обычное телекомовское оптоволокно, далее успешно доставить ее получателю. То есть это уже настоящая, работающая система, при помощи которой вы можете нормально передавать
— А кто сейчас занимается разработкой таких систем?

— Есть уже несколько компаний. Одна из них в Швейцарии (ID Quantique), другая — в США, недалеко от нас в штате Массачусетс (MagicQ). Правда, пока о массовой продаже таких систем речь не идет — продаются лишь единичные экземпляры. Дело в том, что у квантовой криптографии есть одна фундаментальная проблема — длина, на которую можно посылать отдельные фотоны, очень ограниченна, уже после прохождения десяти—двадцати километров по оптоволокну такой закодированный одиночный фотон поглощается, и соответственно, пропадает и сама пересылаемая информация. Эта проблема существует и при передаче обычных, классических сигналов, но в случае со стандартными телекоммуникациями она решается благодаря тому, что можно поставить, условно говоря, через каждые сто километров специальные усилители сигналов. Такая схема усиления не работает для квантовых сигналов, поскольку мы имеем дело с одиночными фотонами и, вместо того чтобы их сохранить, при применении подобных усилителей в лучшем случае просто усилим сопутствующий шум.

Но есть другая возможность — использовать квантовый аналог такого стандартного усилителя упоминавшийся мной квантовый репитер, который работает, грубо говоря, в качестве прибора, исправляющего ошибки передачи информации. Исследования показали, что при помощи специального кодирования информации и так называемого квантового запутывания подобные квантовые репитеры сконструировать можно. А значит, передача квантовой информации на большие расстояния, до нескольких тысяч километров, реально осуществима.

— Относительно недавно появились сообщения, что вам удалось серьезно продвинуться в области квантовой спектроскопии в наноразмерном диапазоне…

— Это совершенно новый для нас вид деятельности, который мы начали серьезно развивать с середины прошлого десятилетия. К тому времени эксперименты с атомами уже довольно-таки хорошо работали, и мы стали задумываться о том, как можно сделать нечто похожее, используя уже твердотельную систему. И в какой-то момент выяснилось, что одной из таких систем могут стать примеси в алмазах. Хорошо известно, что алмаз сам по себе — уникальный материал, потому что, во-первых, он очень твердый, а во-вторых, у него очень широкая зона проводимости. Благодаря этому примесные атомы, в качестве которых мы обычно используем атомы азота, при имплантировании в алмаз оказываются очень хорошо изолированными от внешнего мира.

Иными словами, оказалось, что, если улучшить качество алмаза и научиться искусственно управлять такими отдельными атомами, из них, по идее, можно получить очень надежные квантовые биты (кубиты, единицы хранения и передачи информации). То есть с такими примесными системами в алмазах можно делать практически все, что мы с таким трудом научились делать с отдельными атомами, но при этом нам уже не потребуется создавать особые условия — не нужны будут вакуум, очень низкие температуры и тому подобное.

Наша первоначальная идея заключалась в том, чтобы использовать эти алмазные примеси, которые в специальной литературе называются NV-центрами, или азотозамещенными вакансиями, по традиционной схеме, в качестве тех же квантовых репитеров. И этим магистральным направлением мы в принципе продолжаем заниматься и сейчас, как, впрочем, и многие другие научные лаборатории по всему миру: думаю, что в эту работу вовлечено уже порядка сотни различных групп.

Первые эксперименты с использованием NV-центров были проведены в нашей гарвардской лаборатории и группой, возглавляемой Йоргом Рафтрупом и Федором Железко, в Штутгартском университете, причем с Железко и его коллегами мы активно сотрудничали на начальных этапах. Интересно, что мы подошли к этой проблеме, отталкиваясь от квантовой оптики и квантовой информатики, тогда как Федор и Йорг занимались непосредственно физической природой и свойствами этих примесей, и именно они первыми обнаружили их удивительные возможности.

И самое главное их достоинство в том, что в качестве кубитов-кандидатов при комнатной температуре им пока просто нет альтернативы. В частности, еще несколько лет назад нам удалось в ходе эксперимента записать информацию в спин (электронный магнитный момент) такого NV-центра, а затем превратить ее в оптическую информацию, то есть считать в виде одиночного фотона.

В прошлом же году мы смогли осуществить эксперимент, в результате которого промежуток времени между записью такой информации и ее последующим считыванием составил порядка нескольких секунд. А когда мы только начинали эту работу, подобное состояние сохранялось всего около одной миллионной секунды.

— Каковы, по-вашему, практические перспективы этого магистрального направления?

— Один из возможных практических выходов от этой новой схемы — создание квантовых кредитных карт на алмазах. Но, скорее всего, более близкой перспективой станет создание первого рабочего прототипа комнатного мини-квантового компьютера (буквально пару недель назад такой протопип, сохраняющий стабильность при комнатной температуре на протяжении почти сорока минут, был уже продемонстрирован группой Майка Теволта из канадского Университета Саймона Фрейзера. — «Эксперт»).

— А что вообще мешает создать нормально работающий квантовый компьютер?

— Главная проблема, безусловно, в том, что все квантовые состояния по своей природе крайне хрупкие и недолговечные. И даже в тех же NV-центрах в алмазах, как только начинаешь связывать друг с другом несколько кубитов, эта хрупкость системы сразу проявляется.

Как вообще работает квантовая память по этой схеме? NV-центры состоят из электронов, и обычно используются их магнитные моменты, спины. Эти магнитные моменты (состояния электронов) легко записать и легко затем считать, потому что в зависимости от того, каким именно магнитным моментом обладают электроны, NV-центр светит либо ярче, либо тусклее. То есть он может иметь два различных состояния и тем самым является идеальным кубитом. Но при этом такие электроны изолированы от внешнего мира довольно слабо, и при комнатной температуре самое длинное время жизни электронов, которое кому-либо удавалось зафиксировать, составляло всего одну тысячную секунды.

Нам же удалось резко увеличить это время благодаря тому, что мы смогли записать информацию в отдельные ядерные спины, в одиночные атомы углерода в алмазной кристаллической решетке. В нашем эксперименте мы использовали специальный алмаз, выращенный из изотопа углерода, у которого не было ядерного спина. Мы добавили туда один-единственный ядерный спин, чтобы сначала записать содержащуюся в нем информацию, а затем ее считать обратно. И добились результата в те самые несколько секунд. А при последующем усовершенствовании методики, думаю, можно будет добиться и нескольких часов.

Но давайте я лучше вам наконец расскажу о наиболее близком практическом приложении всей этой нашей деятельности, связанной с использованием азотных примесей в алмазах. Как оказалось, для различного рода тонких измерений пресловутая хрупкость таких квантовых систем — это плюс, а не минус, потому что малейшие возмущения, которые в них возникают, сразу же производят значительный эффект, который легко зафиксировать и измерить. Отсюда, собственно, и возникла идея квантовой метрологии — искусственного создания какого-то специального квантового состояния системы и последующего наблюдения за тем, как это состояние изменяется под внешним воздействием. И в этом, в частности, состоит основной принцип работы самых точных атомных часов, а также различных систем, измеряющих магнитные поля.

Наши же эксперименты с алмазными примесями показали, что мини-квантовые компьютеры, состоящие всего из нескольких квантовых битов, которые мы уже научились делать, можно эффективно использовать в качестве сверхчувствительных измерителей процессов, происходящих на очень малых расстояниях.

Попробую пояснить эту технологию на конкретном примере. Сегодня использование магнитного резонанса в медицине — один из самых мощных и важных видов диагностики, но вплоть до самого недавнего времени об измерениях на молекулярном уровне или на уровне отдельных клеток можно было только мечтать, поскольку разрешения у стандартных томографов для подобных наноразмерностей, мягко говоря, не хватает. Однако, если использовать отдельные примеси в алмазе (или маленькую группу таких примесей), можно приготовить такие особые квантовые состояния, которые позволят производить реальные измерения ядерных магнитных резонансов на подобных наноуровнях.

Более того, такие примесные системы отлично подходят и для измерения других возмущений в живых клетках. Так, в одной из последних работ на основе этих систем нам удалось точно измерить температуру отдельных живых клеток, и на базе данной технологии теперь появляется очень заманчивая возможность селективного контроля и прямого воздействия на различные группы клеток, например тонкого отсева здоровых и больных клеток с последующим уничтожением последних.

Представьте себе только, насколько важной может стать перспектива сверхбыстрого и сверхточного детектирования различных раковых клеток в человеческом организме на основе использования подобных квантовых сенсоров! Причем я вовсе не исключаю, что уже в ближайшие пять—десять лет это направление станет одной из самых революционных технологий.