Подготовка проекта и контракта в 6РПпо разделу IST (Information Society Technologies)

по схеме STREP (Specific Targeted Research or Innovation Project) в качестве полноправного участника

Килин С.Я.Лаборатория квантовой оптики,

Институт физики им. Б.И.Степанова, НАН Беларуси

SIXTH FRAMEWORK PROGRAMME

Раздел: Information Society Technologies

Тип проекта: SPECIFIC TARGETED RESEARCH OR INNOVATION PROJECT (STREP)Полное название проекта:

E ngineered Q uantum I nformation in N anostructured D iamond

(Конструируемая квантовая информация внаноструктурированном алмазе)

Proposal/Contract no.: IST-034368 Operative commencement date of contract: 1 January 2007

Цели проекта

• РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ МАСШТАБИРУЕМОГОПРОЦЕССОРА КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА НА ОСНОВЕОДИНОЧНЫХ ЦЕНТРОВ (ДЕФЕКТОВ) ВНАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ АЛМАЗЕ С ОПТИЧЕСКИМИНИЦИИРОВАНИЕМ И СЧИТЫВАНИЕМ СОСТОЯНИЯПРОЦЕССОРА

• РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ ДЛЯ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИНА ОСНОВЕ ОДИНОЧНЫХ ЦЕНТРОВ ВНАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ АЛМАЗЕ

BYIP NASPStepanov Institut of Physics, Academy of Science of Belarus

8AUSUoMUniversity of Melbourne7

DECAUChristian-Albrecht- Universitätzu Kiel

6UKE6Element 65DEUStuttStuttgart Universität4UKWarwickUniversity of Warwick3UKUoBUniversity of Bristol2FRENSCENS Cachan1

CountryParticipant short name

Participant namePartic. no.

Участники проекта

Минск, Международная конференция по квантовой оптике (ICQO’2006) 26-31 Мая 2006

J.Wrachtrup(Штутгарт, Германия)

J.Roch(Кэшон, Франция)

С.Я.Килин(Минск)

А.П.Низовцев(Минск)

Область науки, к которойотносится проект: Квантовые компьютеры иквантовая криптография

1

Квантовые компьютеры

“… законы физики не препятствуютуменьшению размера элементов компьютеров доразмеров атомов и тогда особенности квантовогоповедения становятся принципиальноважными…»

P. Фейнман (1985)

Конец закона Мура ?

Квантовая информация, кубиты…

〉+〉= 1|0| baψ

В обычной информатике носителем информации является бит, имеющий два возможных состояния: “0” и “1”

возможным состоянием которого является любая суперпозиция “0” и “1”В квантовой информатике носителем информации является кубит

Квантовая механика обеспечивает возможность параллельнойобработки информации и, за счет этого, - продолжения закона Мура

• Информация кодируется в квантово-механических состояниях• Необходимо обеспечить возможность инициирования, манипулирования и считывания квантовых состояний фотонов, атомов, молекул, ионов, спинов, квантовых точек и т.п. ….

Физические системы для реализацииквантового компьютера

- линейные ионные ловушки

- атом-поле в резонаторах

- квантовые точки

- сверхпроводящие цепи

- 31Р в кремнии(кв. компьютер Кэйна)

Центры «азот-вакансия» (NV) в алмазе

- фуллерены

- спины молекул, ЯМР

Впервые идея построения квантовогокомпьютера на одиночных спинах NV

центров в алмазе была изложена в 2001 г. в совместной статье

[Й.Врахтруп, С.Я.Килин, А.П.Низовцев, Оптика и Спектроскопия, 91 (2001) 429]

Криптография

В настоящее время - протокол RSA, смысл которого состоит в передаче большое число Z, являюще-гося произведением двух меньших чисел Z=X*Y.

- 127 * 129 = ? Легко (=29083) !- ? * ? = 29083 Непросто !

Для классических компьютеров трудность решения задачи факторизации увеличивается как O = 2n.Для факторизации современного кода RSA 129 требуется 8 месячная работа сотен компьютеров!

Анна

Борис

Зинаида

Шифратор

Дешифратор

НО: В 1994 г. Шор (P. Shor, AT&T, 1994) показал, что квантовые компьютеры, для которыхO = n2 , смогут решать задачу факторизации гораздо быстрее !!!

- угроза современной системе криптографии- необходимость разработки квантово-криптографических систем

Каждый бит передаваемой информации кодируется в состоянииодиночного фотона.

Законы квантовой механики обеспечивают безусловную защищенностьпередаваемых данных, а любая попытка осуществить перехват ключастановится известной пользователям

Одним из основных элементов квантово-криптографическихсистем является источник одиночных фотонов

Квантовая криптография

Фотонныйпистолет

по требованию испускает неразличимые фотоны

Источники одиночных фотонов на основеодиночных квантовых излучателей

Принцип:Одиночная квантовая система можетиспустить следующий фотон толькопосле того, как она будет вновьпереведена в возбужденное состояние

Одиночныйизлучатель

Экспериментальные реализации:

Электролюминесцентные ИОФ

Одиночный атом (ион) в резонаторе

Одиночная молекула, нанокристалл

Одиночная квантовая точка

Одиночный NV центр в алмазе

История

• 1994-1996 гг. - Проект «Квантовая оптика одиночных молекул и изолированных атомов имолекулярная компьютерная память», грант БРФФИ Ф18-203;

• 1995-1996 гг. - Проект «Спектроскопия одиночных молекул», грант ННФ США PHY-9414515, проф. П.Берман, университет Мичигана, Анн-Арбор, США;

• 1996-1997 гг. – Проект «Двухуровневые системы в спектроскопии одиночных молекул: экспериментальные и теоретические аспекты», грант Фонда «Фольксваген»проф. Фон Борцисковски, Технический Университет Кемница, Кемниц, Германия;

1991 г. – первые работы по спектроскопии одиночных молекул

Объект – эталонная система СОМ – примесные молекулы Пц в ПТФ

Наше участие

В 1997 г. в Кемнице были впервые в мире выполнены первыеэксперименты на одиночных NV центрах в алмазе!!! Уже в 1999 г. в фонд Фольксвагена был заявлен совместный проект «Квантовыевычисления с одиночными ядерными спинами», который тогда не прошел…

Позже - совместные гранты НАТО, ИНТАС…

Организация или участие в организациимеждународных конференций

ICQO - cерия международных конференций по квантовой оптике, организуемых и проводимых в Минске вот уже 20 лет.

ICQO’2006

Поддержка в БеларусиВ настоящее время по квантово-информационной тематике выполняется

7 проектов, финансируемых из республиканского бюджета

• Проект «Разработка оптических методов управления спиновыми состояниямипримесных центров окраски в кристаллах», ГКПНИ «Фотоника», 2006-2010 гг.

• Проект “Исследование квантовых корреляций в составных системах различнойразмерности”, ГПФНИ «Поля и частицы»”, 2006-2010 гг.

• Проект "Исследование свойств упорядоченных решеток центров окраски вблизинаноструктурированных алмазных поверхностей для целей создания твердотельныхквантовых компьютеров, биосенсоров и источников одиночных фотонов дляквантовой криптографии" , ГКПНИ "Наноматериалы и нанотехнологии«, 2006-2010 гг.

• Проект “Методы и алгоритмы генерации случайных последовательностей впространственно удаленных точках на основе квантово-информационных технологий”, ГКПНИ «Инфотех», 2006-2010 гг.

• Совместный российско-белорусский проект “Квантовая информатика: квантоваякриптография и материалы для квантовых компьютеров”, 2005-2007 гг., финансируетсяБРФФИ.

• Совместный германско-белорусский проект “Исследование синглет-триплетныхвзаимодействй и возможности управления молекулярной динамикой примесныхцентров в твердых матрицах”, 2005-2007 гг., финансируется БРФФИ.

• Проект «Моделирование квантово-механической динамики одиночных объектов внаноструктурах”, 2006-2008 гг., финансируется БРФФИ.

Спектроскопия NV центров;простейший квантовыйпроцессор на NV центрах

2

Центр «азот-вакансия» в алмазе(NV центр)

БФЛ

1.945 eV

(637 nm)

X,Y (ms=±1)

Z (ms=0)

3E

3AS=1

Одиночный центр - Одиночный Спин = Кубит !!!

2.88 GHz

Лазерное

Опт. возб.

ISC

Как создать NV центры?или нанокристаллы алмаза

(0-5 мкм, 10-12 карат)1. Возьмите алмаз

После облучения и отжига

3. Выполните отжиг при 1100 K для мигра-ции вакансий к атомам замещающего азота

2. Облучите его электронами(~2 MeV) для создания вакансий

После облучения

Экспериментальная установка(университет Штутгарта)

Оптическое

возбуж

дени

е

Оптический микроскоп МВ или РЧполе

300 μ

флу

оресценц

ия

300 нм

Одиночный NV центр

Сфокусированный лазерный пучок

Спектроскопия одиночных NV центровПервые эксперименты: A.Gruber, J.Wrachtrup et al. Science 276 (1997) 2912

600 650 700 750 800 850 900

0

200

400

600

800

zero phonon line

Fluo

resc

ence

(a. u

.)

Wavelength (nm)

2.84 2.86 2.88 2.90

0.90

0.95

1.00

MWZ

YX

fluor

esce

nce

(a.u

.)

MW frequency (GHz)

Спектр флуоресценции

-30 0 30

1

0

g(2)(τ

)

t, ns

g(2) функция - антигруппировка

Спектр ОДМР

0.5 μm

0.1 1 10 100 10000.0

0.5

1.0

1.5

τ2=300 ms

τ1=14.4 ms

corre

latio

n fu

nctio

n [g

(2) (τ

) -1]

time (ms)

g(2) функция - группировка

Фотофизическая модель NV центраExperiment: Jelezko et al,. APL, 81 (2002) 2160.

Model: Nizovtsev et al. Opt. & Spectr. 94 (2003) 910

X’

1AZ’

3E

3AX,Y

Z

Y’

ABksi

На основе анализа экспериментальных данных нами былапредложена модель NV центра, определены ее параметры

Оптическая ориентация электронного спинаNV центра

[A.P.Nizovtsev et. al., Physica B 340-342 (2003) 106]

B

Z’

Z

D(X,Y) kZ

SkS

kD

A

R

Воздействие красного лазера принизких темп. Переводит центр всостояния mS=±1 !!!

1A

3E

3AX,Y

Z

Z’Y’X’

2.88 GHz

AB

kT’S; kST’

MW

Воздействие зеленого лазера прикомнатных темп. переводит центр всостояние mS=0 !!!

Т.о. были найдены способы инициализации кубита!

0,5 1,0 1,5

0,9

1,0

1,1 23 dB

Fluor

esce

nce I

nten

sity (

a.u.)

MW pulse duration (μs)

Эксперимент: Jelezko et al. PRL 92 (2004) 076401.Теория: 7-уровневая модель (Низовцев и др. Оптика и Спектр., 2005)Последовательность импульсов

Laser

MW

2W=3.5 MHz

Время затухания нутацийодиночного спина ~ 1.3 мкс

Причина –наличие в алмазепримесного азота

Нужен ОЧЕНЬчистый алмаз !!!

Манипулирование кубитомс помощью микроволнового поля

π/2 π/2π

τ1 τ2

π pulse – 8 ns

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800,92

0,94

0,96

0,98

1,00

1,02

1,04

1,06

T2= 350 мкс!!!

Fluo

resc

ence

, a. u

.

τ2, µs

New diamond sample with low N content - [F.Jelezko et. al. Report at ICQO’04 (Minsk)]

T2= 2500 мкс!!!

Перспектива !!!

Фотонное эхо в чистых образцах алмаза

1

23

N-V center in diamond

3A

3E

FS+HFS in the 3A stateof single NV+ single 13C

32

0 1

ZPL637 nm

MW~2.88 GHz

RF~ 130 MHz

ODMR spectra for NV and NV+ 13C single centers

(Jelezko et al. PRL 93 (2004) 130501)

I(12C)=0, но

I(13C)=1/2

(содержание ~1.1%)

Двух-кубитовый процессор на NV - центрах

И.А.Пушкарчук и др. Опт. И Спектроскопия, 2005

0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25 28 30 33 35 380,00

0,05

0,10

0,15

0,20

C17(3)

C13(2)C4(1) N19

C34(3)C25(2)C21(1)

Spin

dens

ity on

the a

tomic

nucle

ous (

a.u.)

Number of atoms in cluster

Нанокластеры C36H42 [NV]Структура

Рассчитанное распределениеспиновой плотности по атомам

кластера

Квантово-химический анализ NV в алмазе

12

3

12

3N

0 1 2

0,7

0,8

0,9

Rel

. flu

ores

cenc

e ch

ange

s

RF pulse duration (μs)

Ar+ laser

MW

RF

π-pulse π-pulse

0 Т

Последовательность импульсов

Эксперимент: Jelezko et al. PRL 93 (2004) 130501.Теория: Низовцев и др. , Опт. И Спектроскопия, 2005

MW pulsed

RF pulsed

Ar+laserpulsed

Fluor.

RF pi-pulse

Z

I=-1/2

I=1/2

Время когерентности: T1~ мин, T2~3 мкс Новые образцы: T2 >30 мкс !

Манипулированиеодиночным ядерным спином 13C

1st qubit: electron spin of NV center2nd qubit: nuclear spin of 13C

↑↑

A:2800 MHzB:2940 MHz

C:130 MHzD:10 MHz

ESR NMR (ENDOR)

A B

C

↑↑= 00

1↓↑= 0

1↑↓= 0

11↓↓=

1

3

0

2

D

Двухбитовый квантовоый процессорЭксперимент: Jelezko et al. PRL 93 (2004) 130501.

N+пучок5 нм Алмаз

NV центр

Точность - 1 нм

В настоящее время: инициализация, манипулирование, считывание спиновых состоянийВ будущем:- увеличить время T2 (чистые алмазы)- улучшить эфективность детектирования фотонов- увеличить количество кубитов

d~5 нм

Перспективы: Масштабируемый процессор на NV центрах

Задача (технологическая!): Создать упорядоченнуюсовокупность NV центровв чистом наноструктурированномалмазе

Имплантация ионов (Австралия)

N+ ions

1,1µm

surface

depth ~500nm FWHM

2

4 2

4

4

6

Y Axis

105 N104 N103 N

N+ ions, 2MeV

10μm

[J.R. Rabeau et al. Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 23113, (26) (2005) 261909]

J. Meijer (Bochum)

I.Rangelow ( Kassel)

Достижение точности 5 нм(Германия)

Left: Nanoscale antenna structure in diamond.

Right: Plot of electric fields on resonance (red is most intense) showing the suppression of side emission and enhancement of emission into the forward mode

Управление спонтанным испусканием NV центров в алмазе

Источники одиночных фотоновна одиночных NV и NE8 центрахдля квантовой криптографии

3

Испускание NV центра и пропусканиеатмосферы

NOT SO GOOD !

Stable RT SPS for near infraredat single NE8 centers in diamond

T Gaebel, I Popa, A Gruber, M Domhan, F Jelezko and J Wrachtrup, New Journalof Physics 6 (2004) 98

(+) - Decay time – 11.5 ns;- Stable at room temp. ;- Linewidth, 20 cm−1 at

RT, is much lower thanthat of the NV-centre

(-) presence of darkmetastable state withlifetime is 170 ns

First telecom window

g(2)(0)=0 – single emitter

Цель: создание источника одиночныхфотонов, сопряженного с оптоволокном

J. Rabeau, cond-mat/0411249

Лазер накачки Одиночные фотоны

Фильтр

NE8 центры

Оптоволокно

Резюме

Составляющие успеха и вхождения в европейскиерамочные программы:

- активная многолетняя работа в перспективномнаправлении

- наличие международных связей, по возможностиподтвержденных совместными проектами

- организация или участие в организациимеждународных конференций

- поддержка тематики в Беларуси

Спасибо за внимание!