Журнал «Физика и студенты» / Лекторий

Квантовый компьютер и его полупроводниковая элементарная база И. Г. Неизвестный (Институт физики полупроводников СО РАН) 8 апреля 2003 г.

1.	Введение
2.	Квантовый компьютер на ядерных спинах в кремнии
3.	Квантовый компьютер на электронном спиновом резонансе в структурах Ge–Si
4.	Список литературы

2. Квантовый компьютер на ядерных спинах в кремнии

	2А. Конструкция кубита
	2Б. Индивидуализация кубитов и однокубитные операции
	2В. Взаимодействие кубитов и двухкубитные операции

2А. Конструкция кубита.

Все эти требования были учтены B. Kane [17] в его конструкции квантового компьютера (КК) на основе кремния, причём условия реализации такого прибора безусловно возможна только с использованием всех достижений нанометровой кремниевой планарной технологии ИС.

Важным требованием при создании такого КК является изоляция кубитов от любых степеней свободы, которые могут вести к декогерентности. Если кубитами являются спины на доноре в полупроводнике, ядерные спины в матрице представляют из себя большой резервуар, с которым донорные спины могут взаимодействовать. Следовательно, матрица должна содержать ядра со спином I=0. Это требование исключает все полупроводники А₃В₅ из числа кандидатов на матрицу, так как ни один из составляющих их элементов не имеет стабильных изотопов с нулевым спином. Для кремния такой изотоп существует: ²⁸Si. Кроме того, для кремния наиболее развита технология получения материала, имеется большой опыт в создании нанообъектов, так что он лучше всех подходит на роль полупроводниковой матрицы.

Рис. 3. Два кубита в одномерном регистре, содержащие два 31Р донора со связанными электронами, внедрёнными в 28Si. Они отделены от управляющих металлических затворов на поверхности слоем SiO2. А — электроды управляют (задают) резонансную частоту ядерно — спинового кубита. J — затворы управляют взаимодействием между электронами соседних ядерных спинов.

Единственным мелким донором в Si со спином I=1/2 является ³¹Р. Система Si:³¹Р была исчерпывающе изучена 40 лет назад в экспериментах по электрон-ядерному двойному резонансу. При достаточно низкой концентрации ³¹Р и при Т=1,5 К время релаксации электронного спина порядка тысяч секунд, а время релаксации ядерного спина ³¹Р превышает 10 часов. По-видимому, при температуре в области милликельвинов время релаксации ³¹Р, ограниченное фононами, будет порядка 10¹⁸ секунд, что делает эту систему идеальной в этом смысле для квантовых вычислений. Условия, необходимые для вычислений при помощи ядерных спинов, могут возникнуть, если ядерный спин локализован на положительно заряженном доноре в матрице полупроводника, следовательно, температура должна быть настолько низкой, чтобы исключить ионизацию донора. Волновая функция электрона тогда концентрируется у ядра донора (для s-орбиталей и энергетически зон, образованных из них), приводя к большой энергии сверхтонкого взаимодействия между спином ядра и спином электрона. По расчетам Кейна необходимая температура для работы должна быть менее 0.1 К. Пластина кремния при этой температуре помещается в постоянное магнитное поле В₀2 Т (рис. 3). В этих условиях электроны будут практически полностью спин-поляризованы (n↑/n↓<10^—6), а ядерные спины будут упорядочиваться по мере взаимодействия с электронами.