Статья содержит небольшой очерк, описывающий историю возникновения идеи применения полупроводниковых квантовых точек и наноструктур на их основе, контролируемых лазером или микрорезонатором, в квантовой информатике. Представлены результаты, полученные в течение последних 15 лет сотрудниками ФТИАН и, в частности, автором данной статьи. Особое внимание уделяется гибридным твердотельным электрон-фотонным системам, состоящим из двойной квантовой точки и оптического микрорезонатора, которые могут обмениваться энергией между собой. Именно такие объекты удовлетворяют главному требованию к созданию практически полезного квантового вычислительного устройства – масштабируемости. The article contains a small essay describing the history of the origin of the idea of using semiconductor quantum dots and nanostructures based on them, controlled by a laser or microcavity, in quantum computer science. The results obtained during the last 15 years by the staff of the FTIAN and, in particular, by the author of this article are presented. Particular attention is paid to hybrid solid-state electron-photon systems consisting of a double quantum dot and an optical microcavity, which can exchange energy among themselves. It is these objects that satisfy the main requirement to create a practically useful quantum computing device - scalability.
Статья содержит небольшой очерк, описывающий историю возникновения идеи применения полупроводниковых квантовых точек и наноструктур на их основе, контролируемых лазером или микрорезонатором, в квантовой информатике. Представлены результаты, полученные в течение последних 15 лет сотрудниками ФТИАН и, в частности, автором данной статьи. Особое внимание уделяется гибридным твердотельным электрон-фотонным системам, состоящим из двойной квантовой точки и оптического микрорезонатора, которые могут обмениваться энергией между собой. Именно такие объекты удовлетворяют главному требованию к созданию практически полезного квантового вычислительного устройства – масштабируемости. The article contains a small essay describing the history of the origin of the idea of using semiconductor quantum dots and nanostructures based on them, controlled by a laser or microcavity, in quantum computer science. The results obtained during the last 15 years by the staff of the FTIAN and, in particular, by the author of this article are presented. Particular attention is paid to hybrid solid-state electron-photon systems consisting of a double quantum dot and an optical microcavity, which can exchange energy among themselves. It is these objects that satisfy the main requirement to create a practically useful quantum computing device - scalability.
Сегодня квантовые технологии могут получить новый виток развития, что, наверняка, даст возможность получить решения для многочисленных задач, которые ранее не поддавались решению в рамках традиционных парадигм и вычислительных моделей.Все человечество стоит у порога так называемой второй квантовой революции, и ее краткосрочные и отдаленные последствия затронут практически все сферы жизни глобального общества.Свое непосредственное развитие получат такие направления и отрасли науки и техники, как материаловедение, нанотехнология, фармакология и биохимия вообще, моделирование хаотичных динамических процессов (ядерные взрывы, турбулентные потоки, погода и долгосрочные климатические явления) и т. д., а также решение любых задач, которые сводятся к перемножению матриц больших размеров (в частности, моделирование квантовых систем).Однако вместе с необычайными возможностями квантовые технологии несут с собой и определенные риски и угрозы, в частности слом всех информационных систем, основанных на современных достижениях криптографии, что повлечет за собой практически полное разрушение секретности, глобальный финансовый кризис из-за разрушения банковской сферы и компрометации всех каналов связи.Даже несмотря на то, что уже сегодня разрабатываются методы так называемой постквантовой криптографии, некоторые риски еще необходимо осознать, так как не все долгосрочные последствия могут быть просчитаны.Вместе с тем ко всему перечисленному надо быть готовым, в том числе при помощи подготовки специалистов, работающих в области квантовых технологий и понимающих все их аспекты, новые возможности, риски и угрозы.В связи с этим в настоящей статье приводится краткое описание текущего состояния квантовых технологий, а именно квантовой сенсорики, передачи информации при помощи квантовых протоколов, универсального квантового компьютера (аппаратное обеспечение) и квантовых вычислений, основанных на квантовых алгоритмов (программное обеспечение).Для всего перечисленного приводятся прогнозы развития в части воздействия на различные сферы человеческой цивилизации.
Текущие исследования по разработке передовых квантовых алгоритмов нацелены на создание набора алгоритмических примитивов, которые могут быть использованы в качестве модулей для различных промышленных рабочих процессов.Цель статьи заключается в рассмотрении различных квантовых алгоритмов для оптимального квантового управления.В работе использовались методы систематического обзора литературы, контент-анализа.Всесторонний поиск осуществлялся в соответствии с рекомендациями PRISMA и проводился в базах Scopus, Web of Science и Google Scholar за период с 2022 по 2025 г.Литература для такого обзора отбиралась в базах данных на основании количества цитирований публикаций, импакт-фактора, индекса Хирша журналов.В практической части исследования использовались методы численного оптимального управления и обучения с подкреплением.В статье представлен обзор исследований современных авторов в области ослабления эффектов шума и декогеренции, анализа ошибок квантовых алгоритмов, а также методов оценки и снижения суммарной погрешности.В процессе исследования в качестве перспективного алгоритма для квантового оптимального управления прорабатываются тепловые ансамбли с целью аппроксимации следа унитарной матрицы.Проводится аналитическая связь между алгоритмом Ахаронова для получения полинома Джонса.Отдельно рассмотрены трехпрядевые косы и их унитарные представления, а также представления на основе тепловых ансамблей.Показана методика измерения математического ожидания фазово-чувствительного оператора обнаружения ансамбля.Доказано преимущество приведенного алгоритма для квантового оптимального управления.Рассмотрен вариационный квантовый алгоритм и его особенности.В работе получены результаты сравнительного анализа наиболее распространенных квантовых алгоритмов оптимального управления.Обозначены пути их усовершенствования с указанием характерных особенностей для каждой модели.Также отмечено, что перспективным направлением дальнейших изысканий является изучение возможностей пересечения областей квантовой механики и машинного обучения, что может привести к созданию новых подходов к управлению квантовыми системами, улучшению существующих алгоритмов.
Одним из наиболее перспективных решений для защиты информации является шифрование с помощью квантовых точек. В данной статье рассматривается возможность использования численных методов моделирования для прогнозирования поведения спектров квантовых точек. Основное внимание уделяется решению двумерного стационарного уравнения Шредингера методом конечных элементов с использованием эрмитовых функций. Результатом решения данного уравнения являются энергетические уровни, позволяющие предсказать спектры поглощения, что важно для оптимизации параметров квантового шифрования и повышения его устойчивости к внешним воздействиям.
Исследуется роль квантовых вычислений в исследованиях в области медицинской физики с упором на их потенциал для повышения эффективности и точности вычислений и разработки новых подходов к лечению. Проведен тщательный анализ литературы последних достижений в области квантовых вычислений и их применения в медицинской физике. Тематические исследования рассмотрены для демонстрации практического применения и возможных преимуществ. Теоретические модели протестированы для прогнозирования будущего развития. Статистические данные о реализации квантовых вычислений собраны из многих источников, особенно об улучшении скорости и точности обработки в приложениях медицинской физики. Результаты показывают, что квантовые вычисления могут значительно повысить скорость обработки сложных методов моделирования и визуализации, при этом некоторые квантовые алгоритмы превосходят классические алгоритмы до 100 раз. Статистические результаты подтверждают перспективность квантовых вычислений. При планировании лучевой терапии квантовые вычисления продемонстрировали повышение точности расчета распределения дозы на 25%. Квантовые алгоритмы сократили время вычислений при молекулярном моделировании примерно на 40%, потенциально ускоряя разработку лекарств и индивидуальную терапию на 30%. Квантовые вычисления могут изменить медицинскую физику за счет увеличения вычислительных мощностей, что может привести к прогрессу в диагностике, планировании лечения и разработке лекарств.
Показана возможность реализации элементов квантовых вычислений в жидких кристаллах (ЖК) за счет использования ЯМР, топологических дефектов и нелинейно-оптических эффектов.Основное внимание уделяется возможности формирования бифотона при использовании нелинейно-оптического эффекта в сегнетоэлектрическом нематическом жидком кристалле (СЭ НЖК), который имеет полярное упорядочение, большую диэлектрическую проницаемость и значительный нелинейнооптический отклик.Показана принципиальная возможность создания матричного устройства с множеством кубитов и управления фазой одного из лучей.Достоинством ЖК являются малое управляющее напряжение, высокая чувствительность оптического отклика к управляющему сигналу, простота изготовления устройств с высоким пространственным разрешением, низкое время переключения оптического отклика; возможность управления не только электронным, но световым сигналом.Сформулированы задачи, которые необходимо решить для практической реализации квантовых вычислений на основе ЖК.Это разработка методов генерации и обнаружения единичных фотонов, управление свойствами СЭ НЖК, стабилизация температуры.Проанализированы проблемы использования ЖК для квантовых вычислений.Приведены сведения об аналогичных системах -
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а квантовомеханические эффекты, такие как квантовая перепутанность. Поэтому в настоящее время особое внимание в квантовой оптике уделяется изучению перепутанных состояний. Они являются фундаментом квантовой информатики. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование динамики перепутывания двух идентичных двухуровневых атомов, взаимодействующих с модой теплового поля идеального резонатора при наличии расстройки частот атомов и поля и диполь-дипольного взаимодействия. В качестве физической реализации данной модели можно рассматривать сверхпроводящие кубиты или примесные спины, в частности для сверхпроводящих кубитов, параметры диполь-дипольного взаимодействия могут на порядки отличаться от константы кубит-полевого взаимодействия. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В квалификационной работе получены и выносятся на защиту следующие р