Лаборатория «Квантовая инженерия света»

Лаборатория «Квантовая инженерия света» создана в 2022 году, при финансировании грантом Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных организациях высшего образования, научных учреждениях и государственные научные центры Российской Федерации (постановление Правительства РФ от 09.04.2010 N 220).

Лаборатория занимается исследованиями гибридных квантовых состояний света в задачах квантовой обработки информации, разработкой алгоритмов и протоколов на основе квантовых состояний света для выполнения квантовых вычислительных операций, стойких к потерям и моделированием и экспериментальной реализацией оптимальных квантово-оптических схем с негауссовыми состояниями света в области квантовых вычислений и метрологии.

В лаборатории также ведутся экспериментальные исследования по сетевым квантовым коммуникациям и разработкам нового семейства квантовых фотометрических эталонов.

Руководитель

Мегагрант под руководством молодых перспективных исследователей: ИК-метрология на основе квантовой интерферометрии (2024–2025 гг.)

Руководитель: Патерова Анна Владимировна Ученая степень: PhD h-индекс: 10 Область наук: Физика и науки о космосе

Цель проекта: Преодоление ограничений традиционных методов ИК-спектроскопии, связанных с высоким фоновым шумом ИК-детекторов, необходимости их охлаждения для увеличения отношения сигнал/шум, низкой чувствительностью и высокой стоимостью за счет технологии квантовой интерферометрии.   

Задачи проекта:

1. Расчет дизайна и режимов генерации спонтанного параметрического рассеяния (СПР) в новых нелинейных кристаллах.

2. Сборка и отладка экспериментальной установки для наблюдения СПР в широком диапазоне длин волн.

3. Разработка и реализация технологии квантовой микроскопии в среднем ИК-диапазоне спектра.

Планируемые результаты:

1. Дизайн нового поколения нелинейных кристаллов для генерации пар фотонов СПР в среднем ИК-диапазоне.

2. Расчет и эксперименты по наблюдению различных режимов генерации пар фотонов в новых нелинейных кристаллах.

3. Разработка и реализация технологии квантовой микроскопии/интерферометрии в среднем ИК-диапазоне спектра.

4. Научные статьи в российских и зарубежных тематических рецензируемых изданиях с результатами выполненных расчетов и проведенных экспериментов.

5. Заявки на получение двух патентов по квантовой микроскопии/интерферометрии в дальнем ИК-диапазоне.

Сотрудники

Всего 30 человек, из них: 6 докторов наук, 10 кандидатов наук, 5 аспирантов, 5 студентов. Ключевые исполнители:

• Подошведов Сергей Анатольевич, доктор физико-математических наук;
• Алоджанц Александр Павлович, доктор физико-математических наук;
• Голубева Татьяна Юрьевна, доктор физико-математических наук;
• Чигринов Владимир Григорьевич, доктор физико-математических наук;
• Бескачко Валерий Петрович, доктор физико-математических наук;
• Калинкин Александр Александрович, кандидат физико-математических наук;
• Авосопянц Грант Владимирович, кандидат физико-математических наук;
• Борщевская Надежда Владимировна, кандидат физико-математических наук;
• Куц Дмитрий Анатольевич, кандидат физико-математических наук.

Работы и результаты

Научные:

• Обосновано использование оптических состояний в протоколах квантовых вычислений;

• Предложен новый алгоритм генерации состояний кота Шредингера с большой амплитудой (более 5) и высоким качеством (более 99%). В эксперименте предполагается использовать в качестве основного ресурса одномодовый сжатый вакуум: это состояние подается на вход последовательно расположенных светоделителей, которые перенаправляют фотоны в детекторы, обладающие способностью разрешать число упавших на них фотонов. Выработанная стратегия вычитания до 20 фотонов из начального состояния одномодового сжатого вакуума в схеме с двумя светоделителями достаточна для достижения достаточно высоких значений точности и вероятности успешной регистрации состояний кота Шредингера даже с двумя неэффективными детекторами.

Образовательные:

• Подготовлена и запущена Программа повышения квалификации «Квантовые технологии»;

• Подготовлена Программа подготовки бакалавров в ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)»;

• Регулярно проводился научный Семинар лаборатории;

• Студенты и аспиранты лаборатории приняли участие в 5-ой Международной Школе по квантовым технологиям (Сочи, Хоста) по направлению «Квантовые технологии: квантовые вычисления, квантовая связь и квантовые сенсоры»;

• Студенты лаборатории приняли участие в 6-ой Международной Школе по квантовым технологиям (г. Миасс) по направлению «Квантовые технологии: квантовые вычисления, квантовая связь и квантовые сенсоры»;

• Разрабатывается магистерская программа «Квантовая инженерия»;

• Обучение в Квантовом центре МГУ прошли 4 сотрудника лаборатории;

• Международная Школа по квантовым технологиям в Челябинской области – февраль 2023 год.

Инфраструктурные:

• Определен облик лаборатории мирового уровня для квантовых измерений, квантовой связи и изучения квантовой метрологии.

Публикации

1. Tsarev D. V., Ansimov D. V., Podoshvedov S. A., Alodjants A. P. Schrödinger cat state formation in small bosonic Josephson junctions at finite temperatures and dissipation // Laser Physics Letters – 2022 – Volume 19, Number 12. DOI: 10.1088/1612-202X/ac99e2
2. Kuts D.A., Podoshvedov M.S., Ba An Nguyen, Podoshvedov S.A. Realistic conversion of single-mode squeezed vacuum state to large-amplitude high-fidelity Schrödinger cat states by inefficient photon number resolving detection //Physica Scripta – 2022 – Volume 97, Number 11. DOI: 10.1088/1402-4896/ac955f
3. Madhu A.K., Melnikov A.A., Fedichkin L.E., Alodjants A.P., Lee R.K. Quantum walk processes in quantum devices // Heliyon – 2023 – Volume 9, Issue 3. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e13416
4. Podoshvedov M.S., Podoshvedov S.A., Kulik S.P. Algorithm of quantum engineering of large-amplitude high-fidelity cat states in setup with k beam splitters and with inefficient photon number resolving detection // Scientific Reports - 2023 -  Volume 13, Article number: 3965. DOI: 10.1038/s41598-023-30218-6
5. Moiseev S.A.,  Minnegaliev M.M., Moiseev E.S., Gerasimov K.I., Pavlov A.V., Rupasov T.A., Skryabin N.N., Kalinkin A.A., Kulik S.P. Pulse-area theorem in a single-mode waveguide and its application to photon echo and optical memory in Tm3+: Y3Al5O12        //  Physical Review A - 2023 -  Volume 107. DOI: 10.1103/PhysRevA.107.043708

6. M.S. Podoshvedov, S.A. Podoshvedov, S.P. Kulik. Algorithm of quantum engineering of largeamplitude highfdelity Schrödinger cat states // Scientific Reports – 2023 – Volume 13, Article number: 3965. DOI: 10.48550/arXiv.2212.08827

7. E.R. Zinatullin, S.B. Korolev, T.Yu. Golubeva. Teleportation protocols with non-Gaussian operations: Conditional photon subtraction versus cubic phase gate // PHYSICAL REVIEW A – 2023 – Volume 107. DOI: 10.1103/PhysRevA.107.022422

8. D.A. Kuts, V.L. Ushakov, E.V. Mikheev and B.A. Nguyen. Expanding possibilities for quantum state engineering // Laser Physics Letters – 2023 – Volume 20, Number 9. DOI: 10.1088/1612-202X/ace0ae

9. E.N. Bashmakova, S.B. Korolev, T.Yu. Golubeva. Effect of entanglement in the generalized photon subtraction scheme // Laser Physics Letters – 2023 – Volume 20, Number 11. DOI: 10.1088/1612-202X/acf921

10. D. Tsarev, S. Osipov, Ray-Kuang Lee, S. Kulik, A. Alodjants. Quantum sensor network metrology with bright solitons // PHYSICAL REVIEW A – 2023 – Volume 108. DOI: 10.1103/PhysRevA.108.062612

11. N.V. Maletin, V.V. Dremov, I.I. Klebanov. On the possibility of using quantum annealers to solve problems of computational materials science // Laser Physics Letters – 2023 – Volume 20, Number 11. DOI: 10.1088/1612-202X/acfd8e

12. D.A. KUTS, NGUYEN BA AN2, S.A. PODOSHVEDOV. Controllable shaping of CV–DV entanglement between CV states of certain parity and delocalized photon // Pramana – 2023 – Volume 97, article number 147. DOI: 10.1007/s12043-023-02622-0

13. R. Abramov, L. Fedichkin, D. Tsarev · A. Alodjants. High-dimensional graphs convolution for quantum walks photonic applications // Quantum Information Processing. Volume 23, article number 175, (2024). https://doi.org/10.1007/s11128-024-04351-8
14. A.P. Alodjants, D.V. Tsareva, S.V. Osipovc, M.S. Podoshvedov, and S.P. Kulik. Multiparameter Quantum Metrology with Bright Solitons // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, Vol. 88, No. 6, pp. 815–821. DOI: 10.1134/S1062873824706676.
15. A.P. Alodjants, D.V. Tsarev, D A. Kuts, S.A. Podoshvedov, S P. Kulik. Quantum optical metrology // Physics–Uspekhi, 2024, Volume 67. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNe.2024.01.039634.
16. S.B. Korolev, E.N. Bashmakova, A.K. Tagantsev, T.Yu. Golubeva. Generation of squeezed Fock states by measurement // PHYSICAL REVIEW A, 109. DOI: 10.1103/PhysRevA.109.052428
17. G.V. Avosopiants, K.G. Katamadze, N.A. Borshchevskaia, Yu.I. Bogdanov, S.P. Kulik. Quantum tomography of a photon-number-resolving detector based on continuous time multiplexing: memory effect // Laser Physics Letters Volume 21, Number 9. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ad6e69
18. N.V. Maletin, A.M. Eremenko, D.V. Minaev. An algorithm for solving a 1D seismic data inversion problem on quantum or digital annealers in the presence of a priori information on layer parameters specified by arbitrary functions // Laser Physics Letters Volume 22, Number 1. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ad914c
19. E.A. Vashukevich. T.Yu. Golubeva. Parallel two-qubit entangling gates via a quantum nondemolition interaction controlled by rotation // PHYSICAL REVIEW A, 110. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.110.032616
20. A.S. Sabanin and A.V. Paterova. Prospects of using novel nonlinear crystals in SU(1,1) interferometry // Laser Physics Letters, Volume 22, Number 1. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ad97b2

Конференции:

1. Осенняя школа Института Эйлера по квантовым алгоритмам (05.12.2022 г. – 12.12.2022 г.) -http://quanteuler.tilda.ws/#rec503283841. Организаторы: Санкт-Петербургский государственный университет, Математический институт имени В. А. Стеклова РАН и ПАО «Газпром нефть», при финансовой поддержке Минобрнауки России.

2. Международная научная конференция «Нелинейные волны 2022» (7.11.2022 г. - 13.11.2022 г.) - https://nonlinearwaves.ipfran.ru/. Организаторы: Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород (ИПФ РАН), Нижегородский государствен-ный университет им. Н.И. Лобачевского (ННГУ).

3. Конференция «Цифровые технологии в добыче углеводородов» (03.10.2022 г. – 07.10.2022 г.) - https://events.rn.digital/conf/ct2022/schedule. Организаторы: ООО «РН-БашНИПИнефть».

4. VI International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2022 (03.10.2022 г. – 07.10.2022 г.) - https://ultrafastlight.ru/. Организаторы: Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН.

5. 5th International School on Quantum Technologies (02.10.2022 г. – 08.10.2022 г.) – http://qutes.org/portfolio/qts-2022. Организаторы: МГУ им. Ломоносова.

6. Международная научная конференция «Суперкомпьютерные дни в России» (23.09.2022 г. – 26.09.2022 г.) - https://russianscdays.org/agenda/keynote. Организаторы: МГУ имени М.В. Ломоносова, Российская академия наук, Московский Центр фундаментальной и прикладной математики, Суперкомпьютерный консорциум университетов России.

7. V Международная конференция «Наука будущего» и VIII Всероссийский молодежный научный форум «Наука будущего – наука молодых» (20.09.2023 г. – 23.09.2023 г.) - https://sfy-conf.ru/. Организаторы: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации.

8. III Конгресс молодых ученых (28.11.2023 г. – 30.11.2023 г.) - https://xn--c1aenmeoia.xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/program/. Организаторы: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Координационный совет по делам молодежи в научной и образовательно й сферах, Фонд Росконгресс, Оператор Десятиления науки и технологий в России.

9. 15-я Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2023» (02.10.2023 г. – 04.10.2023 г.) - https://icmne.ftian.ru/glavnaja-russkij/ Организаторы: ФТИАН им. К.А. Валиева РАН.

10. I Самарцевские Чтения (ФЭКС/IWQO2023) (18.09.2023 г. – 22.09.2023 г.) - http://pecs.su/. Организаторы: Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» и Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН совместно с Московским педагогически м государственным университетом и Казанским (Приволжским) федеральным университетом.

11. Научно-практическая конференция «Военная связь будущего. Квантовый скачок как неизбежность» (10.11.2023 г. – 11.11.2023 г.) - https://et.spbstu.ru/conferences/voyennaya_svyaz_budushchego/. Организаторы: Федеральное государственно е казенное военное образовательно е учреждение высшего образования «Военная орденов Жукова и Ленина Краснознаменная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного» Министерства обороны Российской Федерации.

12. XXI Всероссийская молодежная Самарская конкурс-конференция по оптике, лазерной физике и физике плазмы (14.11.2023 г. – 18.11.2023 г.) - https://laser-optics.ru/. Организаторы: Самарский филиал ФИАН и Самарский университет.

13. IX Всероссийский молодежный научный форум «Наука будущего – наука молодых» (29.10.2024 г. – 01.11.2024 г.) – https://sfy-conf.ru/. Организаторы: Министерство науки и высшего образования РФ.

14. IV Конгресс молодых ученых (27.11.2024 г. – 29.11.2024 г.) – https://конгресс.наука.рф/. Организаторы: Фонд Росконгресс при поддержке Министерства науки и высшего образования России, Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте России по науке и образованию.

15. 31st international conference Advanced Laser Technologies (ALT 2024) (23.09.2024 г. – 27.09.2024 г.) – https://altconference.org/conference-venue-24. Организаторы: ИОФ РАН, Отделение физических наук Российской академии наук, Академия наук Республики Татарстан, ФИЦ КазНЦ РАН, КФТИ КазНЦ РАН, Институт спектроскопии Российской академии наук, Центр лазерной технологии и материаловедения, МГУ им. М.В. Ломоносова, НИЯУ МИФИ.

16. ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОТОНИКИ-2024» (18.06.2024 г. – 20.06.2024 г.) – https://www.vniiofi.ru/news-list/news-20240301-01.html. Организаторы: ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГБУ «ВНИИОФИ») при поддержке Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт).

17. XII Семинар Д.Н. Клышко (23.10.2024 г. – 25.10.2024 г.) – https://www.susu.ru/ru/news/2024/07/23/priglashaem-prinyat-uchastie-v-hii-seminare-d-n-klyshko. Организаторы: ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)», МГУ им. М.В. Ломоносов, Минобрнауки РФ.

18. 7-я Международная школа по квантовым технологиям (25.02.2024 г. – 02.03.2024 г.) – http://qutes.org/. Организаторы: ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)», МГУ им. Ломоносова.

19. Второй Всероссийский форум «Доверенные квантовые технологии и коммуникации. КВАНТ 2024» (30.01.2024 г.) – https://kvant.vipforum.ru/?roistat_visit=2160031. Организаторы: Академия Информационных Систем, при участии и поддержке Минцифры России, НИЦ АКРФ, АНО «Цифровая Экономика», ОАО «РЖД», ОАО «МАЦ» и НИТУ «МИСИС».

20. Выставка-форум «Россия» (23.01.2024 г. – 28.01.2024 г.) – https://russia.znanierussia.ru/. Организаторы: Администрация Президента РФ, Правительство РФ, мэрия г. Москвы.

21. VIII Научно-практическая конференция BalticPetroModel-2024 (04.09.2024 г. – 06.09.2024 г.) – https://www.gece.moscow/materials#rec797197994. Организаторы: ООО «ГеоЕвразия», ИФЗ РАН, МФТИ.

22. Воркшоп «Математические проблемы квантовых информационных технологий» (27.05.2024 г. – 28.05.2024 г.) – https://indico.jinr.ru/event/4473/overview. Организаторы: ОИЯИ.

Мероприятия:

1. Проведена VI Международная школа по квантовым технологиям (26.02.2023 г. – 04.03.2023 г.): http://qutes.org.

Организаторы: МГУ имени М.В. Ломоносова, ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)», при информационной поддержке Минобрнауки РФ.

2. Организован Научно-практический семинар на тему «Квантовые технологии» (07.07.2023 г.). Организаторы: ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)».

Источник: https://www.susu.ru/ru/news/2023/06/05/na-baze-proydet-nauchno-prakticheskiy-seminar-na-temu-kvantovye-tehnologii

3. Организован Научно-практический семинар на тему «Квантовые алгоритмы» (14.12.2023 г. – 15.12.2023 г.) Организаторы: ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)». Источник: https://www.susu.ru/ru/news/2023/11/18/v-sostoitsya-nauchno-prakticheskiy-seminar-na-temu-kvantovye-algoritmy

4. Проведена VII Международная школа по квантовым технологиям (25.02.2024 г. – 02.03.2024 г.): http://qutes.org.

Организаторы: МГУ имени М.В. Ломоносова, ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)», при информационной поддержке Минобрнауки РФ.

Источник: https://www.susu.ru/ru/news/2024/02/22/na-yuzhnom-urale-proydyot-7-ya-shkola-po-kvantovym-tehnologiyam-qts24

5. Проведена VII Международная школа по квантовым технологиям (25.02.2024 г. – 02.03.2024 г.) – http://qutes.org/. Организаторы: ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)», МГУ им. Ломоносова.

6. Организован XII Семинар Д.Н. Клышко (23.10.2024 г. – 25.10.2024 г.) – https://www.susu.ru/ru/news/2024/07/23/priglashaem-prinyat-uchastie-v-hii-seminare-d-n-klyshko. Организаторы: ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)», МГУ им. М.В. Ломоносов, Минобрнауки РФ.

Оборудование:

1. Оптический стол с системой виброизоляции (производитель: Daeil Systems);

2. Детектор счета фотонов - COUNT-100N-FC (производитель: Thorlabs);

3. Набор оптико-механического оборудования (оптические рельсы, поворотные столики, держатели оптики, лазерные зеркала, наборы линз и др.);

4. Балансный фотодетектор - PDB450A (производитель: Thorlabs);

5. Источником питания для устройств К/Т-Cube - TPS002 (производитель: Thorlabs);

6. Система позиционирования - KPZNFL5/M (производитель: Thorlabs);

7. Пространственный модулятор света - PLUTO-2.1-NIR-118 (производитель: Holoeye);

8. 3D-принтеры закрытого (X-Max) и открытого (Ender) типов.

9. Восьмиканальная система регистрации одиночных фотонов на основе сверхпроводниковых детекторов c разрешением числа фотонов и дополнительным оборудованием (РФ).

10. Профилометр лазерного излучения - BEAMAGE-4M. Производитель: Gentec-EO (Канада).

11. Цифровой осциллограф смешанных сигналов – RIGOL MSO8064. Производитель: RIGOL (Китайская Народная Республика).

12. Источник бесперебойного питания переменного напряжения с двойным преобразованием.

13. Сканирующий автокоррелятор с быстрой линией задержки AA-20DD-6PS (РФ).

14. Оптический изолятор;

15. Генератор сигналов;

16. Измеритель мощности и энергии: цифровая панель управления с тонким кремниевым детектором;

17. Фотодетектор мощности;

18. Очиститель воздуха;

19. Источник питания;

20. Образовательный стенд для изучения базовых понятий и процессов в квантовой оптике и квантовой информатике на основе классической поляризации.

Контакты:

Подошведов Сергей Анатольевич, podoshvedovsa[at]susu[dot]ru