Совместная работа учёных МФТИ, МИСИС и ИТМО позволила в деталях объяснить появление уникальных оптических свойств у кристаллов перовскита. Это один из самых перспективных материалов для оптоэлектроники будущего, понимание основ работы с которым даёт базу для создания компонентов и решений с заданными свойствами. Работа исследователей опубликована в журнале Nano Letters и доступна по ссылке.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Ранее научные коллективы во всём мире сталкивались с тем, что оптические свойства перовскитов проявляли себя не всегда или с разным значением. Речь идёт о зависимости оптических свойств кристаллов перовскитов от выбранного направления, что называется анизотропией. Это необходимо учитывать для создания волноводов, поляризаторов, нанолазеров и других оптических приборов. В одних случаях на выращенных кристаллах анизотропия проявлялась, а в других отсутствовала. Российские учёные выяснили, в чём кроется проблема.

«Форма кристаллов перовскитов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными, то они не будут проявлять анизотропных свойств, а если они стали прямоугольными, то перовскит будут анизотропным. Это удобно — просто взглянул на форму перовскита и понял, какие у него будут оптические свойства», — пояснил научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев.

Иначе говоря, российские исследователи на примере перовскита из свинца, цезия и бора (CsPbBr₃) нашли и описали взаимосвязь зависимости анизотропии выращенных кристаллов от условий выращивания и конечной формы кристаллов. Это позволит не бродить в темноте, наугад создавая тот или иной образец перовскитов для экспериментов, а целенаправленно выращивать кристаллы с заданными оптическими свойствами, что, кстати, является одним из основных критериев для массового производства.

Кроме того, учёные обнаружили, что при определённых условиях перовскиты обладают рекордно высоким уровнем оптической анизотропии для всех известных трёхмерных материалов. Это позволяет использовать перовскиты для создания высокоэффективных волноводов и других устройств, позволяющих управлять движением света, что крайне важно для создания оптических аналогов электроники.

«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В Лаборатории солнечной энергетики НИТУ МИСИС реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr₃ и устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегам из ИТМО и МФТИ за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — отметил ведущий инженер Лаборатории перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Артур Иштеев.

Сообщается, что молодые ученые МФТИ первыми в России экспериментально реализовали работающий алгоритм квантового обучения в цепочке сверхпроводящих кубитов. Алгоритмы машинного обучения — это непросто само по себе, а их запуск на кубитах — это совсем иной уровень проблематики. Тем не менее, квантовая нейросеть показала практическую пригодность к решению сложных классических задач с высокой точностью, что также подтолкнёт к покорению новых вершин.

Источник изображения: МФТИ

«Мы нашли удачную структуру квантовой цепочки и алгоритм обучения, который позволяет нам достичь точности 94 % для стандартных задач классификации с несколькими метками и точности 90 % при распознавании рукописных десятичных цифр. Точность и стабильность алгоритма подтверждаются методом перекрестной проверки. Квантовая модель достаточно быстро обучается благодаря возможности эффективного вычисления градиента с использованием необычных свойств квантовых операций», — рассказал Алексей Толстобров (выше на фото), соавтор исследования, сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Мы довольно давно слышим о машинном обучении и к настоящему времени в этой сфере достигнуты впечатляющие результаты. Взять хотя бы ставший популярным ИИ-бот ChatGPT на большой языковой модели GPT. Но у классических компьютеров (суперкомпьютеров) есть свои и довольно ощутимые пределы, преодолевать которые индустрия намеревается с помощью квантовых систем. Работа российских учёных показывает, что квантовые вычислители или, вернее, симуляторы вполне способны создавать обучаемые нейросети и выполнять алгоритмы, что когда-нибудь позволит сделать прорыв в сфере машинного обучения.

Забавно, но сегодня всё больше причин считать, что вычислительная работа головного мозга в своей основе имеет квантовые явления. Может так статься, что в будущем настоящий ИИ будет построен только на квантовой самообучающейся нейросети, что, как считают специалисты, станет концом человечества, но это уже другая история.

Возвращаясь к работе команды физиков МФТИ, уточним, что она провела цикл экспериментов с моделью гибридного классификатора, работу которой ускорил квантовый симулятор. Симулятор же представлял собой цепочку из нескольких сверхпроводящих кубитов. Модель была обучена решать задачи классификации и распознавания изображений. В частности, решались задачи чётности, обнаружения меток рака молочной железы («есть/нет») и типологии различных вин (многозначная классификация по десятку параметров). Помимо этого, было продемонстрировано решение задачи распознавания рукописных изображений цифр.

На следующем этапе учёные увеличат количество кубитов в квантовом симуляторе, что даст возможность решать более сложные задачи классификации, а также протестируют способность системы решать задачи регрессии и, наконец, попытаются перейти от классических данных к квантовым.

Учёные из НИТУ МИСИС и МФТИ впервые в России создали полностью функциональный квантовый процессор с четырьмя кубитами и продемонстрировали на нём точность выполнения двухкубитных операций CZ более 97 %. Следующим шагом станет разработка 8-кубитных симуляторов и процессоров, что обещает подтолкнуть российских разработчиков к реализации более мощных квантовых вычислителей.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

В основе эксперимента лежала созданная в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ сверхпроводниковая интегральная квантовая микросхема КИМС. Чип содержит пять ёмкостно шунтированных зарядовых сверхпроводящих кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Кубиты электрически связаны друг с другом и могут как обмениваться энергией, так и управляемо изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний |0⟩ и |1⟩.

Сверхпроводящие кубиты и их конкретное воплощение в виде трансмонов широко используются при создании квантовых вычислителей. Например, трансмоны лежат в основе квантовых компьютеров компаний IBM и Google. В МФТИ также используют этот тип сверхпроводимых элементов, на основе которых спроектировали и изготовили пятикубитный процессор.

Опытный квантовый процессор КИМС МФТИ использует способность кубитов изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний для реализации операции CZ — двухкубитной операции, в ходе которой один кубит контролирует поворот другого кубита, что приводит их в состояние квантовой запутанности. Поскольку операция управляемая, это открывает простор для исполнения ряда квантовых алгоритмов, один из которых российские физики успешно и впервые в стране продемонстрировали на четырёхкубитном отечественном квантовом процессоре.

«Для реализации неразрушающего считывания кубитов посредством индивидуальных микроволновых резонаторов исследователи использовали широкополосный джозефсоновский параметрический усилитель, совместно разработанный учеными МФТИ и МИСИС», — сказано в пресс-релизе НИТУ МИСИС.

На представленном изображении ёмкость одного из кубитов представлена зелёным цветом, цепочка резонаторов для индивидуального считывания — красным, индивидуальные управляющие потоковые линии — синим и антенны — жёлтым. Программный код для выполнения алгоритмов создан в НИТУ МИСИС.

«Нам удалось показать высокоэффективные квантовые операции на системе 4-х кубитов, что является уникальным достижением для российских квантовых технологий. В проведенном эксперименте время отдельной логической операции составляет около 0,025 мкс. Это позволяет реализовать более 3200 операций за время жизни квантового состояния процессора. При изготовлении квантовой интегральной микросхемы технологами из МФТИ были отработаны важные особенности технологического процесса, что позволило нам существенно улучшить ключевые характеристики кубитов», — рассказал заведующий Лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ Олег Астафьев.

Успешное проведение подобного эксперимента наглядно подтверждает, что уровень развития технологии и экспериментальной базы, достигнутый при сотрудничестве учёных МФТИ и МИСИС достаточен для реализации среднемасштабных квантовых устройств без коррекции ошибок, что они берутся доказать в будущем в процессе создания 8-кубитовых и более мощных квантовых вычислителей.