книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

Главным преимуществом ЯМР-спектрометра является то, что в нем можно использовать огромное количество одинаковых молекул. При этом каждая молекула (точнее, ядра атомов, из которых она состоит) представляет собой квантовую систему. Постоянное магнитное поле выравнивает спины.

Последовательности радиочастотных импульсов, выполняющие роль определенных квантовых логических вентилей, осуществляют унитарные преобразования состояний соответствующих ядерных спинов одновременно для всех молекул. Иными словами, селективное воздействие на отдельный кубит заменяется одновременным обращением к соответствующим кубитам во всех молекулах большого ансамбля. Компьютер такого рода получил название ансамблевого

(bulk-ensemble quantum computer) ЯМР-квантового компьютера.

Такие компьютеры могут работать при комнатной температуре, а время декогерентизации квантовых состояний ядерных спинов составляет несколько секунд.

В области ЯМР-квантовых компьютеров на органических жидкостях к настоящему времени достигнуты наибольшие успехи. Они обусловлены в основном хорошо развитой импульсной техникой ЯМРспектроскопии, обеспечивающей выполнение различных операций над когерентными суперпозициями состояний ядерных спинов, и возможностью использования для этого стандартных ЯМР-спектрометров, работающих при комнатной температуре.

Основным ограничением ЯМР-квантовых компьютеров является сложность инициализации начального состояния в квантовом регистре. Дело в том, что в большом ансамбле молекул исходное состояние кубитов различно, что осложняет приведение системы к начальному состоянию.

Другое ограничение ЯМР-квантовых компьютеров связано с тем, что измеряемый на выходе системы сигнал экспоненциально убывает с ростом числа кубитов L. Кроме того, число ядерных кубитов в отдельной молекуле с сильно различающимися резонансными частотами ограничено. Это приводит к тому, что ЯМР-квантовые компьютеры не могут иметь больше десяти кубитов. Их следует рассматривать лишь как прототипы будущих квантовых компьютеров, полезные для отработки принципов квантовых вычислений и проверки квантовых алгоритмов.

Преимущества твердотельных ЯМР-квантовых компьютеров следующие:

1.Ядерные спины сами по себе являются кубитами.

2.Число кубитов в квантовом регистре может быть произвольно

велико.

331

3.При низких температурах состояния ядерных спинов-кубитов характеризуются очень большими значениями времени релаксации (и, соответственно, времени декогерентизации) по сравнению с кубитами на электронных состояниях.

4.Твердотельные структуры нанометрового масштаба, которые предполагается использовать в полупроводниковых ЯМР-квантовых компьютерах, предназначаются не для создания самих кубитов, как

вслучае сверхпроводниковых квантовых устройств, а лишь для задач управления кубитами и измерения их состояний.

Определенные дополнительные преимущества имеют, кроме того, твердотельные ЯМР-квантовые компьютеры, работающие на принципе клеточного автомата. Для организации квантовых операций

вдвух- и трехмерном ЯМР-ансамблевом клеточном автомате наиболее предпочтительными представляются коллинеарные антиферромагнитные структуры шахматного типа, описываемые двумя магнитными подрешетками.

Недостатки ЯМР-компьютеров следующие:

1.Невозможно масштабировать ЯМР-компьютер более чем до 20 кубитов.

2.Большие габариты устройства за счет электромагнитов. Компьютеры на основе ядерного квадрупольного резонанса

(ЯКР-компьютеры) в этом отношении предпочтительнее, так как не содержат больших электромагнитов, необходимых для создания постоянного магнитного поля. Квадрупольные ядра со спинами 1, 5/2 имеют три уровня энергии и являются кутритами.

12.6. КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ НА РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ

Состояние современной высокоточной технологии и технологии высокочистых материалов уже сейчас позволяет приступить к экспериментальным работам по созданию элементов полупроводниковых ЯМР-квантовых компьютеров. Уже созданы простейшие фрагменты такого компьютера. Однако создание многокубитовых твердотельных структур – более далекая перспектива. Потребуется привлечение многих технологических и схемотехнических достижений современной микро- и наноэлектроники, а также исследование и моделирование физических процессов, в частности процессов декогерентизации, в многокубитовых квантовых системах.

332

Число предложенных вариантов многокубитовых квантовых компьютеров постоянно растет. Широкую известность получил полупроводниковый вариант, основанный на схеме Б. Кейна, с индивидуальным обращением к отдельным кубитам. В Австралийском центре технологии квантовых компьютеров делаются первые успешные экспериментальные шаги в направлении создания элементов такого кремниевого многокубитового ЯМР-квантового компьютера.

Квантовый компьютер на ионных ловушках

Другой вариант квантового компьютера основан на использовании ионных ловушек, когда в роли кубитов выступает уровень энергии ионов, захваченных ионными ловушками, которые создаются в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях их лазерного охлаждения до сверхнизких температур. В ионных ловушках содержатся ионы, выстроенные в ряд с помощью магнитного поля. Первый прототип квантового компьютера, основанного на этом принципе, был предложен в 1995 г.

Ионы Са+, Ва+, Sr+, Hg+ в ловушке образуют однородный кристалл и взаимодействуют друг с другом, обмениваясь фононами (квантами колебательных возбуждений, которые являются вспомогательными кубитами). Состояние каждого иона находится под управлением поляризованного и сфокусированного лазерного пучка. Допускаются

состояния 000...0 и 111...1 , сильное взаимодействие кубитов, слабая

связь с оборудованием.

Высокоточное измерение состояний требует сильной связи с оборудованием.

Квантовое измерение отдельного атома, состояние 0: облучение

лазером, атом излучает 108 фотонов/с. Атомный приемник настроен на лазерную волну.

Квантовое измерение отдельного атома, состояние 1 : облуче-

ние лазером, атом не излучает, атомный приемник не настроен на атомную волну.

Полупроводниковые кристаллы бесспинового моноизотопного кристалла кремния 28Si , в котором атомы фосфора 31P (кубиты) расположены в линейной цепочке (модель Кейна). Кубитом служит ядер-

ный спин ½ или электронный спин атома фосфора 31P . Число кубитов в такой архитектуре не ограничено.

333

Квантовые компьютеры на квантовых точках

Квантовые точки – это искусственные атомноподобные наноструктурные элементы с конечным числом дискретных энергетических уровней. На электрон, захваченный группой атомов, воздействует лазерный пучок определенной частоты и переводит его в возбужденное

состояние. Возбужденное состояние рассматривается как 1 , основное состояние – как 0. Облучение лазерным пучком рассматривается как

контролируемый not-вентиль (CNOT-вентиль).

Преимущество такого подхода состоит в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами. Основными недостатками квантовых компьютеров этого типа являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояния ионов вцепочкеиограниченностьвозможногочислакубитов– неболее40.

Квантовый компьютер на основе сквидов – сверхпроводящих интерференционных устройств (superconductiong quantum interference devices)

При построении квантовых компьютеров на твердом теле используются следующие технологии: молекулярная эпитаксия, нанолитография и зондовая микроскопия.

Молекулярная эпитаксия позволяет создавать совершенные моноатомныеслоикристаллов, сдостижениемприэтоматомногоразмерапотолщине.

Методы зондовой микроскопии позволяют наблюдать поверхность с атомным разрешением. Зонды можно использовать как атомный манипулятор, перемещая атомы на поверхность и обратно. Зонды работают как катализаторы локальных поверхностных химических реакций окисления, травления, осаждения материала. Они доставляют энергию локального возбуждения в форме электрического тока, напряжения, фотонов, механической энергии (деформации). Зонды могут измерять состояния атомных частиц.

Методы электронно-лучевой нанолитографии с разрешением 1–10 нм можно использовать при создании атомных структур квантовых компьютеров.

Квантовый компьютер на основе вакуумной технологии удержания ионов и атомов в ловушках

Используется размещение ионов или атомов в области минимума потенциала, создаваемого системой электродов и электромагнитных полей. Для подавления теплового движения атомов используется технология лазерного охлаждения.

334

Оптические пинцеты – определенная конфигурация лазерных лучей, удерживающая атомы или ионы в определенном положении.

Квантовый компьютер на оптических фотонах

Способ представления кубитов – использование поляризации фотонов. Роль логических элементов выполняют светоделительные элементы. Измерения осуществляются детектированием отдельных фотонов. Инициализация кубитов – поляризация фотонов.

Фотоны недостаточно сильно взаимодействуют с окружением. Использование перепутывания состояний. Детектирование одиноч-

ных фотонов представляет крайне сложную задачу. Управлять отдельнымифотонамитрудно.

12.7. СОСТОЯНИЕ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ДО 2012 Г.

На рубеже XXI вв. во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, в которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов). Очень скоро был реализован жидкостной ЯМР-квантовый компьютер (до 7 кубитов, IBM, И. Чанг).

ВРоссии разработкой вопросов физической реализации квантового компьютера занимается ряд исследовательских групп, ядро которых составляет школа академика К.А. Валиева: Физико-технологический институт РАН (лаборатория ФКК), МГУ (ф-т ВМК, кафедра КИ, физический ф-т, кафедра КЭ), МФТИ, МИФИ, МИЭТ, КГУ, ЯрГУ, а также ряд сотрудников институтов РАН (ИТФ, ИФТТ) и других вузов.

В2005 г. группой Ю. Пашкина (кандидат физико-математичес- ких наук, старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости г. Москвы) с участием японских специалистов был построен двухкубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах. Примерно в это время до десятка кубитов было сделано на ионах в ловушках Пауля (Д. Вайнленд, П. Цоллер, Р. Блатт).

Вноябре 2009 г. физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубитов.

Вфеврале 2012 г. компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений

сиспользованием сверхпроводящих кубитов, которые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера.

335

В апреле 2012 г. группе исследователей из Южно-Калифорний- ского университета, Дельфтского технического университета, Университета штата Айова и Калифорнийского университета (Санта-Барбара), удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с азотными примесями (см. далее NV-центры в прил. 2). Компьютер функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азота соответственно. Для обеспечения защиты от влияния декогерентности была разработана целая система, которая формировала импульс микроволнового излучения определенной длительности и формы. При помощи этого компьютера реализован алгоритм Гровера для четырех вариантов перебора, что позволило получить правильныйответспервойпопытки в95 % случаев.

12.8. РАЗРАБОТКИ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ПОСЛЕ 2012 Г.

Запись и считывание данных из кремниевого кубита4

Как говорится в статье, опубликованной в журнале Nature, австралийская группа физиков под руководством Андреа Морелло (Andrea Morello) из университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (Австралия) изготовила полноценный кубит из пластинки кремния и атома фосфора и впервые использовала его для записи и считывания информации (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Полноценный кубит из пластинки кремния и атома фосфора, использованный для записи и считывания информации

(© Lee C. Bassett, David D. Awschalom // Nature)

4 Lee C. Bassett, David D. Awschalom // Nature.

336

Кубитом может быть спин электрона, принимающий состояния, условно называемые «верх» и «низ». Для своей работы компьютеры должны уметь менять состояние спина, т.е. записывать информацию, и отслеживатьэтоизменение, такимобразомсчитываяобработанныеданные.

Ключевым компонентом нового устройства является набор микроэлектродов, генерирующий микроскопическое магнитное поле, пульсирующее с частотой в 30 ГГц. Это поле взаимодействует с электронами в атоме кубита и меняет их спин, тем самым записывает новую информацию до начала очередного цикла операций.

По словам ученых, такие кубиты способны функционировать без внешнего вмешательства в течение 200 мкс. Этого времени хватает на совершение около тысячи манипуляций, что достаточно для проведения несложных вычислений и опытов. Другим положительным качеством этих кубитов является их относительная дешевизна – их можно «печатать» при помощи современных технологий изготовления кремниевых микрочипов.

Морелло и его коллеги отмечают, что длительность работы таких кубитов можно многократно улучшить, снизив долю примесей в кремнии и усовершенствовав конструкцию электродов.

«Нам впервые удалось продемонстрировать способность представлять и манипулировать кубитом, управляя спином электронов в атоме. Это ключевой шаг на пути создания кремниевого квантового компьютера на основе единичных атомов-кубитов», – заключает один из участников исследования Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak) из университета Нового Южного Уэльса.

Физики научились записывать и считывать данные из кремниевого кубита.

По словам Дзурака, его лаборатория уже разработала и запатентовала технологию, которая позволяет производить чипы с тысячами и миллионами подобных кубитов, взаимодействующих друг с другом, при помощи тех же технологий, которые уже существуют сегодня.

Создание кремниевого модуля из двух кубитов для квантового процессора5

Как говорится в статье, опубликованной в журнале Nature, австралийские физики создали первый полноценный вычислительный

5 По материалам работы [4].

337

модуль из двух кремниевых кубитов, способный выполнять квантовый аналог логической операции ИЛИ.

«Удалось совершить первое вычисление внутри квантового кремниевого чипа, используя те технологии, которые применяются сегодня в полупроводниковой индустрии. Нам удалось достичь этого, используя обычные транзисторы, которые мы перестроили таким образом, что через них мог проходить только один электрон», – заявил Эндрю Дзурак из университета Нового Южного Уэльса (Австралия).

Дзурак и его коллега по университету Андреа Морелло уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного квантового компьютера. Так, в 2010 г. они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 г. – полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора. В 2013 г. они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100%-ной точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго.

Замена атома фосфора на редкий изотоп кремния – кремний-29 и изменение структуры кубита сделали его похожим на обычный полевой транзистор. Объединили два подобных кремниевых кубита, расположив их рядом и соединив их затворы друг с другом. Созданная структура представляет CNOT-вентиль – квантовый аналог устройства, исполняющего операцию ИЛИ в классических микросхе-

мах (рис. 12.3, 12.4).

Рис. 12.3. Схема двухкубитового кремниевого модуля для операции ИЛИ (© UNSW)6

6 По материалам работы [4].

338