Академик Красников провел заседание научного совета РАН "Квантовые технологии"

Академик Красников провел заседание научного совета РАН "Квантовые технологии"

01.07.2021

30 июня в Российской академии наук состоялось заседание Научного совета при президиуме РАН «Квантовые технологии» по теме «Математические модели и методы в квантовых технологиях – 1». Заседание прошло в смешанном формате – очно и онлайн. Провел заседание председатель Научного совета, академик-секретарь Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН, академик РАН Г.Я. Красников.
В заседании приняло участие 32 члена Бюро Совета и членов Совета, а также 50 приглашенных ученых и специалистов – всего из 54 организаций и их подразделений. В обсуждении повестки дня участвовало 20 человек.
Во вступительном слове при открытии заседания Председатель Совета, академик РАН Г.Я. Красников поздравил члена Бюро Совета, академика РАН Е.Б. Александрова с присуждением совместно с д.ф.-м.н. В.С. Запасским Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий 2020 года за создание и развитие нового научного направления – спектроскопии спиновых шумов.

Одним из существенных препятствий в развитии квантовых технологий является декогерентность. Такой переход от квантового мира к классическому вызван специфическими «зацеплениями» между системой и окружающей средой. 

Декогерентность связана с квази-классическим разложением, термодинамическим пределом, силой взаимодействия с окружающей средой, теорией измерений, но не сводится исключительно к ним. В связи с этим декогерентность выделена в отдельное направление. Рассматриваются отношения декогеренции и интерференции, термализации, Марковским мастер-уравнением, алгеброй без декогеренции, методом стохастического предела – разработанного МИАН (член-корр. РАН И.В. Волович и др.) и итальянскими учеными. Разработаны методы борьбы с декогерентностью: коды, исправляющие ошибки; функциональный контроль; свободное от декогерентности пространство; симметрические кластеры. Декогерентность может быть использована для квантового контроля. Рассматривается пространственная декогерентность, в том числе неравенства Белла и работы член-корр. РАН И.В. Воловича – релятивистские каналы, двумерная модель причинно-следственной связи Ферми. В направлении декогерентности регулярно появляются новые работы. 


В МИАН активно разрабатываются методы управления квантовыми системами, которые в одних случаях позволяют минимизировать влияние шумов, в других – использовать шумы в качестве полезного ресурса. 

Методы управления квантовыми системами применяются в задачах квантовых вычислений, в том числе для генерации квантовых гейтов за минимальное время, квантовой информации, в лазерном управлении химическими реакциями и т.д. В идеальной ситуации шумы отсутствуют, в то время как в реальной возникают два типа шумов: шумы, связанные с взаимодействием квантовой системы с окружающей средой и шумы, связанные с флуктуациями непосредственно в управлении. В МИАН разработан метод вывода уравнений для квантовых систем с квантовым шумом из первых принципов: метод стохастического предела, исследуются квантовые мультипольные шумы, пуассоновский шум, модели столкновительной декогеренции. Активно разрабатываются методы управления квантовыми системами. Предложен метод некогерентного управления квантовыми системами. Показано, что при использовании окружения как управления в комбинации с когерентным управлением можно приближенно создавать произвольные матрицы плотности для n-уровневых квантовых систем и тем самым приближенно реализовать наиболее сильную степень управляемости на множестве состояний квантовых систем. Предложенный метод: (1) применим для физического класса мастер-уравнений, хорошо известных в квантовой оптике; (2) применим для почти всех параметров и квантовых систем любой размерности; (3) позволяет строить явное аналитическое решение для некогерентного управления; (4) обладает робастностью по отношению к флуктуациям в начальном состоянии. В 2008 г. был предложен метод квантового машинного обучения с подкреплением. Исследуются возможности использования неселективных квантовых измерений для управления квантовыми системами. Развита техника анализа влияния шумов на максимальное значение фиделити в различных задачах квантового управления, позволяющая выбирать управления, наиболее устойчивые по отношению к конкретному типу шумов. Доказано отсутствие ловушек в ландшафтах ряда задач управления квантовыми системами, в том числе в задаче генерации однокубитных вентилей типа сдвига фазы. Найдены множества достижимости для открытой двухуровневой квантовой системы, находящейся под воздействием когерентного и некогерентного управлений. Исследования проводятся в том числе в рамках крупного научного проекта Минобрнауки России № 075-15-2020-788. Многие результаты удается получить аналитически, но важную роль играют и численные методы, машинное обучение. Разрабатываемые методы управления квантовыми системами позволяют минимизировать влияние шумов в различных задачах управления квантовыми системами, включая генерацию квантовых гейтов и создание квантовых состояний, и даже в некоторых случаях позволяют использовать влияние шумов в качестве эффективного полезного ресурса. 


Во ФТИАН им. К.А. Валиева РАН ведутся работы по высокоточному моделированию и контролю квантовых информационных технологий. В основе теоретического описания процессов декогерентизации и квантовых шумов лежит редуцированная динамика и понятие вполне положительных преобразований. 

Такое понятие было введено в начале 1970-х гг. в теории квантовой связи академиком РАН А.С. Холево и позднее было развито в приложении к статистической механике Линдбладом, Краусом и рядом других исследователей. Идеальный квантовый вентиль задаёт унитарное преобразование матрицы плотности. Однако с учетом взаимодействия квантовой системы с окружением динамика описывается с помощью операторной суммы с использованием так называемых операторов Крауса. В докладе рассматривается концепция нечетких квантовых измерений, которая позволяет в определённом смысле полностью избавиться от декогерентизации квантовых состояний, перенося влияние шума на операторы измерения. Вместо того, чтобы рассматривать, как шум в канале портит исходные состояния, мы производим измерение исходного неиспорченного состояния посредством модифицированных операторов измерения, которые несут в себе всю информацию об имевшей место декогерентизации. В качестве иллюстрации приводятся модифицированные операторы измерения, описывающие амплитудную и фазовую релаксацию, а также шумы bit-flip и phase-flip. Концепция нечетких квантовых измерений является частью подхода анализа адекватности, полноты и точности, который развивается в институте. В центре подхода – целевая функция вероятности совпадений (fidelity). Фиделити задается довольно сложной формулой, при использовании матрицы плотности. Однако, процедура дополнения квантового состояния до чистого состояния в соответствии с так называемой теоремой Ульмана показывает, что фиделити – это просто максимально возможный квадрат абсолютного значения скалярного произведения между теоретическим и реконструированным векторами состояния. Рассматриваемая процедура лежит в основе развиваемого в институте корневого подхода к анализу квантовых вентилей. Развиваемый подход связан и с другими инструментами, в том числе матрицами полной информации, которые являются далеко идущим обобщением матрицы информации Фишера в приложении к очищенному вектору состояний. Развиваемый подход позволяет сформулировать универсальное статистическое распределение точности, получаемое в результате тех или иных квантовых измерений для той или иной процедуры квантовой томографии. Соответствующее статистическое распределение является обобщением хорошо известного распределения хи-квадрат. В институте разрабатывается методология анализа полноты, адекватности и точности. Соответствующая методология может быть применена к решению многих задач в различных областях, в том числе к анализу квантовых корреляций, к теоретическому и численному анализу алгоритма Гровера, а также к технологичному анализу точности квантового преобразования Фурье в зависимости от числа кубитов для разных уровней шума. Выполнена оценка вычислительных ресурсов алгоритма квантового преобразования Фурье в контексте физической платформы на основе NV-центров: при добавлении 2-го и 3-го каскадов точность радикально улучшается, но времена реализации увеличиваются до месяцев и годов. Для иллюстрации приводится также оценка вычислительных ресурсов для квантового алгоритма решения системы линейных алгебраических уравнений, а также оценка вычислительных ресурсов алгоритма Гровера при поиске ключа для протоколов SHA-2, SHA-3: количество необходимых гейтов превосходит реально достижимые значения. Следующие примеры показывают полезность использования методов квантовой томографии в рамках процедуры нечетких измерений. Задача квантовых вычислений на ионах в России реализуется в рамках лидирующего исследовательского центра, в который входят Российский квантовый центр, ФИАН, Сколтех и ФТИАН им. К.А. Валиева. Ионные квантовые вычисления обладают высокой точностью приготовления и измерения, высоким временем когерентности, высокой точностью гейтов, возможной связью всех кубитов со всеми. Однако существуют проблемы масштабирования в связи с неустойчивостью длинных линейных цепочек. Показано, что при измерении флуоресцирующих кубитов может быть получен уровень точности порядка 99,99 % и выше при применении адекватной модели нечетких измерений (при этом фактор уменьшения потерь точности по сравнению со стандартными измерениями оказывается равным 1 200). Подходы к томографии линейно- оптических квантовых процессов разрабатываются ФТИАН в тесном сотрудничестве с группой д.ф.-м.н. С.П. Кулика (Центр квантовых технологий Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова). В докладе представлены результаты реального эксперимента, направленного на анализ линейно-оптических интегральных схем посредством корреляционных измерений с использованием тепловых состояний света. Важный вывод состоит в том, что развитый подход, основанный на тепловых состояниях, оказывается в близком соответствии с подходом на основе когерентных состояний. В сотрудничестве с группой д.ф.-м.н. С.А. Моисеева (КНИТУ-КАИ, ООО «ККЦ») в рамках корневого подхода выполнено исследование квантовой памяти как однокубитовой квантовой операции. Процедура квантовой томографии позволила выявить фазовые набеги, которые эквивалентны некоторому дополнительному унитарному вращению на сфере Блоха. После вычитания этого дополнительного унитарного вращения, рассматриваемый процесс стал довольно близок к идеальному с фиделити около 97 %. При этом коэффициент корреляции Пирсона между экспериментом и теоретической моделью оказался равен 0,98. В сверхпроводниковых квантовых схемах (совместно с группой д.ф.-м.н. Рязанова В.В. (ИФТТ РАН)) исследование вентиля ISWAP показало высокую корреляцию между наблюдаемым в эксперименте числом отсчетом и восстановленными значениями теоретических частот на уровне 98%. Показано, что идеальный гейт в сравнении с реконструированным имеет фиделити на уровне 86 %, что в значительной степени обусловлено амплитудной и фазовой релаксацией. Уменьшение температуры рефрижератора и улучшение соответствующих технологических процедур должно привести к существенному улучшению качества кубитов. Фидуциальное распределение потерь точности, показывающее степень близости между реконструированной хи-матрицей и неизвестной хи-матрицей даёт совпадение на уровне более 99 %. В качестве вывода по докладу следует отметить, что существенный прогресс в области экспериментальных и технологических исследований вселяет реальную надежду на создание в среднесрочной перспективе квантовых вычислительных устройств, способных решать практически важные задачи. Критически важное значение имеет моделирование квантовых схем с учетом декогерентизации и шумов. Актуальной задачей является реализация соответствующей программной суперкомпьютерной библиотеки. Интерфейс между моделированием и технологическим воплощением систем квантовой обработки информации должен осуществляться посредством квантовых измерений с адекватным и полным контролем квантовых состояний и процессов с точностью, ограниченной только законами квантовой физики. 

В МИАН ведутся работы по квантовой коррекции ошибок. При измерении коллапс волновой функции происходит не во всех случаях. В гибридных системах исходная информация является квантовой, после измерения – классической.

В результате измерения некоторая часть информации теряется, при допущении неполноты измерений некоторые состояния останутся неизмененными. Решение вопроса коррекции ошибок началось в середине 1990-х годов. Волновую функцию искажает набор ошибок. В классической теории информации при допущении ошибки в одном бите может быть только одна ошибка. В квантовой теории информации возможен как тип ошибки «флип», так и искажение фазы. Установлены критерии устранения таких ошибок. В одном из подходов в пространстве из n кубитов разрешены ошибки на 1 кубит, в результате поиска проектора на двух- или более мерное пространство – квантовой антиклики, при проектировании пространства ошибок остается одномерное операторное подпространство. При переходе к бесконечномерному пространству выделяют гибридные измерительные каналы с квантовым входом и классическим выходом. В МИАН предложен подход к исследованию гибридных каналов в бесконечномерном пространстве – введён канал, комплементарный к измерительному с усреднением по системе. Сумма информационных емкостей измерительного канала и комплементарного к нему равна удвоенной энтропии фон Неймана. В настоящее время решается вопрос о доказательстве существования квантовой антиклики для системы ошибок, определяемых комплементарным каналом. Разработан метод исправления ошибок для различных физических квантовых систем с бесконечномерным пространством состояний на основе теории операторных графов. С помощью этого метода задача построения квантовой антиклики и исправляющего ошибки подпространства решена для двух важных классов физических систем – двухмодового квантового осциллятора и модели Джейнса-Каммингса. В модели Джейнса-Каммингса с помощью когерентных состояний Газо-Клаудера подробно исследована размерность исправляющего ошибки подпространства в зависимости от таких параметров системы, как частоты перехода и сила взаимодействия. Исследования проводятся в том числе в рамках крупного научного проекта Минобрнауки России № 075-15-2020-788. Таким образом, предложенный метод построения исправляющих ошибки квантовых кодов для различных физических бесконечномерных квантовых систем развивается во многих направлениях, в частности, для системы связанных осцилляторов и кубита, взаимодействующего с когерентным полем.


В МИАН проводятся работы в части несекулярных квантовых кинетических уравнений (мастер-уравнений) и сохранения когерентности. Такие уравнения обобщают уравнение Шредингера и широко применяются в таких областях, как взаимодействие излучения с веществом, лазерная физика, ядерная физика, квантовая оптика.

В Марковских мастер-уравнениях отсутствует явная зависимость от времени, а у резервуара отсутствует память. Уравнение ГКСЛ обладает свойствами сохранения следа, полной положительности динамики и полугрупповым свойством. Общий вид уравнения был математически доказан, в физике встречался и ранее. Уравнение с бесконечным числом степеней свободы сводится к уравнению для относительно небольшого числа степеней свободы, возможно только при разделении масштабов времени: релаксация (быстрое время, например, сотни фс) и динамика в этом подпространстве (медленное время, например, тысячи фс). Для математического описания используется предел. Современные теории квантового микроскопического вывода (теория стохастического предела, теория резонансов) позволяют снять некоторые ограничения генератора Дэвиса. Он обладает следующими свойствами: ковариантностью относительно свободной унитарной динамики, декогеренцией в базисе при невырожденных уровнях энергии, а также ограничениями: используется предположение о существенном разделении всех уровней энергии и его неприменимостью при наличии почти вырожденных уровней в связи с необходимостью учета несекулярных членов. Последнее может быть решено с помощью кинетического уравнения Редфилда (1965 г.), однако оно не сохраняет положительную динамику и не является уравнением вида уравнения ГКСЛ, либо эвристикой – уравнениями вида ГКСЛ с несекулярными членами. В работе института предложено универсальное квантовое кинетическое уравнение вида ГКСЛ для режима слабой связи, позволяющее описывать произвольную структуру энергетических уровней и имеющее правильные термодинамические свойства. Рассмотрена динамика когерентности при почти вырожденных уровнях. Предложено локальное приближение, при котором используются собственные значения гамильтониана без взаимодействия, с учетом теории возмущений, в результате чего не происходит нарушения второго закона термодинамики. Рассмотрены кинетические уравнения с управлением гамильтонианами системы и резервуара как по отдельности, так и одновременно. В результате решения проблемы построения правильного квантового кинетического уравнения для описания динамики открытой квантовой системы выведено универсальное уравнение вида ГКСЛ для режима слабой связи и приведен корректный вариант локального приближения Исследования проводятся в том числе в рамках крупного научного проекта Минобрнауки России № 075-15-2020-788.

Исследователи Российского квантового центра, ФИАН им. П.Н. Лебедева и университета Николая Коперника (Польша) ведут активную работу в области исследования потенциала вероятностного представления квантовых состояний для анализа потенциала NISQ-устройств (квантовых устройств промежуточного масштаба, подверженных шумам). 

Исследуется природа происхождения квантового превосходства, связанная с ускорением решения некоторых задач на квантовых компьютерах. Традиционно считается, что природа подобного рода превосходства связана с концепцией «квантового параллелизма», а также возможностью оперирования пространством квантовых состояний, требующих экспоненциально большого количество комплексных чисел для своего описания. Однако, в соответствии с теоремой Готтсмана-Нилла существует специальный набор, в том числе сильно запутанных, квантовых состояний, имеющих компактное описание, и подразумевающих возможность эффективного моделирования на классическом компьютере. Таким образом, вопрос о первопричинах квантового преимущества является гораздо более нетривиальным. В своей работе исследователи подошли к данной проблеме с точки зрения описания квантовых состояний и квантовых процессов на языке классической теории вероятности. В рамках этого подхода квантовые состояния могут быть описаны вероятностными распределениями, получаемыми в информационно-полных измерениях (MIC- и SIC-POVM измерениях), в то время как квантовые процессы и квантовые измерения описываются так называемыми псевдо-стохастическими матрицами – расширениями «классических» стохастических матриц на область отрицательных значений. Таким образом, квантовая сущность процессов, происходящих в квантовых вычислениях, оказывается связанной с возникновением отрицательных вероятностей в соответствующих псевдостохастических матрицах. На текущий момент выведены основные динамические уравнения для квантовых систем в вероятностном представлении, а также получено полное описание открытых многокубитных квантовых систем. В частности, подробно рассмотрен процесс реализации алгоритма Гровера. Кроме того, подробно рассмотрен процесс исчезновения истинно-квантовых свойств динамики в условиях возрастания степени декогеренции. Одна из идей дальнейшего развития – использовать подход для анализа квантовой природы или сложности моделирования квантовых систем с точки зрения наличия или отсутствия отрицательных элементов при описании их динамики. Данные результаты получены в рамках реализации проекта ЛИЦ, выполняемого совместно с ФИАН им. П.Н. Лебедева, Сколтехом и ФТИАН им. К.А. Валиева. Важно отметить, что полученные теоретические результаты могут быть использованы для анализа процессов на ионном квантовом компьютере, также разрабатываемом в рамках проекта ЛИЦ, и недавно продемонстрировавшим возможность реализации однокубитных операций с точностью (fidelity) 0,95. 


В Центре квантовых технологий Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова несколько направлений исследований: фундаментальные исследования по квантовой оптике, физика холодных атомов 87Rb, квантовые коммуникации через оптоволоконные линии связи и свободное воздушное и безвоздушное пространство.

Из четырех наиболее развитых платформ квантовых вычислений – сверхпроводниковых цепочек, нейтральных атомов, ионов, а также фотонов и непрерывных переменных полей ведутся работы по двум из них – нейтральным атомам и фотонам в линейно-оптических схемах. Интерференция одиночных фотонов в многомодовых линейно-оптических устройствах проявляет вычислительную сложность при попытке её расчёта на классических компьютерах – распределение вероятности для 50 и более фотонов, распределённых по нескольким сотням мод, не поддаётся симуляции на классическом компьютере. Оптические квантовые симуляторы в ЦКТ МГУ разрабатываются в рамках проекта «Прибой» Фонда перспективных исследований и при поддержке Центра НТИ. Ключевым элементом при разработке таких устройств являются программируемые многоканальные линейно-оптические интерферометры. Для создания интегральных программируемых оптических устройств сотрудники Центра развивают технологию фемтосекундной лазерной печати. С помощью квантового вариационного алгоритма, реализованного с использованием интерференции одиночных фотонов в программируемых интерферометрах, были выполнены эксперименты по расчёту энергии основного состояния для двухатомной молекулы водорода H2 и иона гелия HeH+ в зависимости от межатомного расстояния. Совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИА им. Н.Л. Духова ведутся работы над созданием более компактных и крупномасштабных литографических схем, с помощью которых в этом году планируют значительно увеличить размерности приготавливаемых и преобразуемых квантовых состояний и продемонстрировать многокубитные квантовые алгоритмы. Универсальные архитектуры многоканальных интерферометров позволяют выполнять произвольные многоканальные линейные преобразования, например, архитектуры в виде массивов двухканальных интерферометров Маха-Цандера. Нарушение ключевого условия – сбалансированности статических делителей, которое возникает из-за ошибок на этапе изготовления, приводит к потере универсальности программируемых схем. В ЦКТ МГУ предложили две новые архитектуры для избавления от указанного недостатка. Первая – с применением попеременных слоев программируемых сдвигов фаз и статических многоканальных блоков, с помощью которой реализуется целевая матрица с высокой точностью, соответствующей максимальному фиделити. Количественный анализ качества многоканальных преобразований показал отсутствие ошибок в широком диапазоне параметров статических блоков. Таким образом, данная архитектура допускает произвол в выборе статических элементов, при котором варьируемые сдвиги фаз могут задать требуемые многоканальные преобразования без ошибок. Во второй предложенной архитектуре, аналогичной архитектуре на основе массивов интерферометров Маха-Цендера, вместо элемента интерферометра Маха-Цендера используют статический делитель с одной варьируемой фазой без увеличения общей сложности многоканальной схемы. Полученная схема также оказывается более устойчивой к статическим ошибкам, возникающим на этапе изготовления оптических схем. Предложенные архитектуры могут быть использованы как квантовых, так и в классических областях, т.к. они не сложнее при изготовлении, чем известные до этого. 


В МИАН рассматриваются модели шумов и открытые квантовые системы. Такие системы могут быть описаны на уровне одновременной динамики, многовременных корреляций, а также динамики системы и резервуара. Марковское приближение может быть описано уравнением ГКСЛ, обобщенной регрессионной формулой либо квантовыми стохастическими дифференциальными уравнениями. 

Рассматриваются поправки в рамках теории возмущений: уравнение Накажимы-Цванцига, обобщенная регрессионная формула и мультипольный шум. Во большинстве работ используется одно уравнение для матрицы плотности и один подход для всех времён. Однако из физики систем очевидна необходимость разделения времён, в связи с чем предложено разделить и описать систему от нуля и до времени корреляции, затем – после времени корреляции и до завершения. На втором временном интервале возможно использование как ГКСЛ, так и обобщённой регрессионной формулы. Полученный результат хорошо согласуется с точным ответом, в отличие от Марковского приближения. За пределами теории возмущений часть резервуара следует выделить в отдельную систему и применить метод псевдомод, в части которого имеются работы МИАН, метод реакционной координаты либо другие. 


Также в  МИАН исследуются квантовый хаос и квантовая сложность. Для изучения квантовых теорий и их свойств, сравнительно недавно появился метод «голографического соответствия», имеющий происхождение в теории струн. Данный метод позволяет через анализ слабых гравитационных явлений внутри гиперболического пространства позволяет изучать общие свойства квантовой теории, живущей на границе, и наоборот.

Недавно появились приложения данного метода в физике конденсируемых сред, связь с теорией квантовой информации и квантовой сложности, открытых квантовых систем, квантового хаоса. С помощью такого подхода изучаются системы с сильными взаимодействиями, а также системы с большим числом степеней свободы, однако существуют обобщения в том числе на более простые модели, типа модели Изинга. Путем изучения геометрии и геометрических структур появляется возможность анализировать структуру гильбертова пространства широкого класса квантовых систем и их свойств: тензорных сетей, квантовой сложности, коррекции квантовых ошибок. Исходя из этого даже было выдвинуто направление «черные дыры как квантовые компьютеры». Черные дыры уничтожают информацию вокруг себя, приводя к квантовому хаосу. Очень старые черные дыры практически не эволюционируют, но некоторые геометрические характеристики внутри них линейно эволюционируют, что интерпретируется как увеличение сложности квантового состояния. Одним из доказанных в работе к.ф.-м.н. Д.С. Агеева результатом было, что для большой возмущенной молодой черной дыры рост сложности до экспоненциально больших времен удовлетворяет гипотезе Ллойда о предельной мощности компьютера в квантовой механике. Другой стороной современных исследований в голографической дуальности тесно связанных с квантовой сложностью является квантовый хаос. Выделено три главных величины, определяющих хаотическое поведение: время скрамблинга, скорость бабочки и Ляпуновская экспонента. Примером квантового хаоса может являться хаотический рост операторов, а именно когда одно малое возмущение, начинает быстро дробиться, вовлекая всё больше и больше многочастичных состояний. Прямой протокол измерения хаотических величин требует эксперимента с обращением времени вспять. Для определенного класса систем возможно обойти данное требование и составить физически реализуемый протокол. Такой протокол проще обращения времени вспять, но всё ещё достаточно сложный для больших систем. В работе предложен подход для произвольных систем, не обязательно являющихся сильновзаимодействующими и изотропными который позволяет определять хаотические характеристики в достаточно простом экспериментальном сеттинге. Достаточно измерить силу трения, действующую на тяжёлую квазичастицу в такой системе, в зависимости от скорости. Также в работе к.ф.-м.н. Д.С. Агеева было показано, что сходный, хотя и более и специфический эффект, когда квантовый хаос определяет параметры среды, характерен для кварк-глюонной плазмы и наблюдается на коллайдере. Данный эффект называется эффектом гашения струй, и коэффициент гашения струй напрямую определяется квантовыми характеристиками системы. 


В МФТИ, МИАН, ФТИАН им. К.А. Валиева РАН ведутся исследования в области устойчивости квантовых состояний к потере перепутанности при действии шумов. Их актуальностью являются необходимость развития протоколов квантовой криптографии, секретность которых не предполагает правдивость приборов; увеличения классической пропускной способности каналов связи; передачи квантовой информации для установления связи между квантовыми компьютерами (квантовый интернет); создания перепутанных квантовых состояний между твердотельными кубитами, между кубитом и СВЧ излучением и др. 

К кругу решаемых проблем относится определение уровня шума, при котором состояние остается перепутанным, определение предельно допустимого шума, определение оптимального начального состояния. В представленной работе предложен подход поиска времени жизни перепутанности в терминах скорости релаксации и наиболее устойчивое к потере перепутанности состояние. Удалось показать, что оптимальные двухкубитные состояния, которые обладают низким рангом Шмидта, обладают большей стойкостью к потере перепутанности при действии локальных шумов общего вида, чем максимально перепутанное состояние. Аналогичный результат имеет место в случае деполяризующих шумов, действующих на многоуровневые квантовые системы. Для многоуровневых систем при действии шумов другой природы к настоящему времени ответ не найден. В МГУ имени М.В. Ломоносова активно ведутся работы по созданию перепутанных состояний в системах с квантовыми состояниями мод электромагнитного поля, применяя спонтанное параметрическое рассеяние. В рассматриваемой работе создано гауссовское перепутанное состояние с возможностью варьирования энергии произвольным образом в пределах лаборатории. Показано, что при передаче сигнала в другую лабораторию усиление сигнала более чем на 3 дБ приводит к потере запутанности. Применение оптимального негауссовского сигнала снимает такое ограничение, что в совокупности является неожиданным результатом. Дальнейшим направлением исследований являются многокубитные системы, где задача оптимизации решается в постановке тензорных сетей. Предложены новые методы римановой оптимизации и машинного обучения для анализа многокубитных квантовых систем и немарковских шумов. 


Совет создан при президиуме РАН 2 июня 2020 г. и является научно-консультативным, координационным и экспертным органом РАН в области исследований по квантовым технологиям, имеющих фундаментальный характер и направленных на решение актуальных проблем и задач по всему перечню направлений: квантовых вычислений, квантовых симуляторов, квантовой передачи данных, квантовой криптографии, квантовых сенсоров, квантовой метрологии и др. 

Заседания Совета проходят раз в 2 месяца, среднее количество участников на каждом из них – более 130 ученых и специалистов. В текущий состав Совета входят 54 ведущих специалиста в области квантовых технологий, из них: 12 академиков РАН, 16 членов-корреспондентов РАН и 2 профессора РАН. Развитие квантовых технологий в нашей стране координируется по трем направлениям, определяемым «дорожными картами» – «Квантовые вычисления», «Квантовые коммуникации» и «Квантовые сенсоры». Первые две дорожные карты на период 2020-2024 г. утверждены решениями Правительства Российской Федерации от 31 июля 2020 г. и 27 августа 2020 г. соответственно.
Дорожная карта «Квантовые сенсоры» находится в стадии рассмотрения, рассматривается возможность бюджетного софинансирования работ в данном направлении Минпромторгом России. Ответственные за реализацию трех дорожных карт компании – Госкорпорация «Росатом», ОАО «РЖД» и Госкорпорация «Ростех» соответственно. За период с момента создания Совета по настоящее время проведено 6 заседаний Совета по темам «Дорожные карты по квантовым технологиям» (24.09.2021 г.), «Фундаментальные проблемы квантовых коммуникаций» (19.11.2021 г.), «Квантовые вычисления» (18.02.2021 г.), «Квантовые сенсоры – 1, 2» (01 и 29.04.2021 г.), «Математические модели и методы в квантовых технологиях – 1» (30.06.2021 г.) позволив оценить ландшафт фундаментальных исследований, разработок и серийно выпускаемой продукции по всем трем дорожным картам. В этот же период также состоялись 2 заседания Бюро Совета по темам «О принципах организации работы Совета» (06.07.2020 г.) и «Обсуждение проекта решения заседания Президиума РАН 18.05.2021 г. по вопросу «О состоянии и перспективах развития квантовых технологий в Российской Федерации» (12.05.2021 г.). Итоги годовой работы Совета заслушаны и обсуждены на заседании президиума РАН, по результатам которого выпущено постановление президиума РАН «О состоянии и перспективах развития квантовых технологий в Российской Федерации» (№ 79 от 18.05.2021 г.) со следующими основными положениями в резолютивной части: (1) обеспечить привлечение Совета к экспертизе научно-технических проектов и отчетов в области квантовых технологий, в том числе дорожных карт, а также к формированию планов НИР и проектов в данной предметной области; (2) Совету совместно с Минобрнауки России, Госкорпорацией «Росатом», ОАО «РЖД», Госкорпорацией «Ростех», Минпромторгом России и другими заинтересованными ведомствами приступить к формированию программы исследований в области квантовых технологий на период 2025-2030 гг.; (3) Совету разработать совместно с Минобрнауки России и другими заинтересованными ведомствами предложения по междисциплинарным фундаментальным исследованиям в области квантовых технологий для представления в Правительство Российской Федерации; (4) Совету разработать совместно с Росстандартом и руководителем приоритетного технологического направления «Технология средств измерений» предложения по модернизации государственных эталонов и средств измерений на основе квантовых технологий; (5) Совету подготовить совместно с Минпромторгом России, Минцифры России, Минобрнауки России предложения по доработке Дорожной карты «Квантовые сенсоры» с учетом обсуждения полученных на Научном совете РАН «Квантовые технологии» по этому направлению результатов, а также предложения по всем направлениям развития квантовых технологий на период 2025-2030 гг., обратив особое внимание на необходимость осуществления комплексного подхода при реализации проектов от фундаментальных исследований до внедрения в производство; (6) Совету сформировать список проектов, наиболее готовых к промышленному внедрению, на основе материалов заседаний Научного совета РАН «Квантовые технологии». Представить данный список в Минпромторг России для решения вопроса финансирования ОКР, в первую очередь связанных с разработкой отечественной элементной базы квантовых технологий.


В заключительном слове Председатель Совета, академик РАН Г.Я. Красников поблагодарил авторов за высокий научный уровень докладов и выразил уверенность в интеграции усилий в части развития математических моделей и методов в квантовых технологиях между организациями, представленными членами Совета, приглашенными учеными и специалистами.