8. Квантовые компьютеры на ионах в ловушках. Ловушки для ионов и нейтральных атомов. Лазерное охлаждение ионов. Считывание результатов вычислений.

Для выполнения 2 и 3 требований используется замораживание теплового движения частиц представляющих кубиты и изоляции их от макроскопического окружения. Для реализации квантового компьютера на ионах в квантовых ловушках в качестве кубитов используются состояния ионов (основные и возбужденные), захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурации электрического поля, в условиях лазерного охлаждения их до микрокельвиновых температур.

Для удержания атомов используется несколько ловушек:

• Ловушка Пеннинга – это устройство, использующее однородное статическое магнитное поле и пространственное неоднородное электрическое поле для сохранения заряженных частиц. Она была впервые использована для длительного удержания одного электрона и экспериментов по определению его констант. Позитрон в ловушке Пеннинга – позитрон Прискила. Эта ловушка также используется для точных измерений свойств ионов и других частиц, обладающих электрическим зарядом. Статический электрический заряд может быть создан из системы трех электродов, кольца и двух крышек. Такой потенциал создает силовую ловушку для иона и ограничивает его вертикальные колебания.

• Затем были построены ловушки, которые позволяли удерживать цепочку ионов. Эти ловушки устроены таким образом, что устойчивое положение частиц обеспечивается компенсацией трех видов сил: Кулоновское взаимодействие; статическое электрическое поле, создаваемое двумя электродами, которое сжимает цепочку ионов вдоль оси так, что расстояние между ионами на этой оси определяются из условия кулоновских сил отталкивания и сжимающих сил поля; радиальных сил, возникающих в результате воздействия от переменного электрического поля, создаваемого приложенным к двум расположенным по диагонали параллельно оси, цепочки ионов металлическим электродом высокочастотным напряжением при заземленных двумя другими диагонально расположенными электродами. Эта ловушка называется Ловушка Пауля. Ионы удерживаются электрическими силами. Минимальное расстояние между ионами в такой цепочке составляет микрометры и позволяет обращаться к отдельным ионам.

• На основе магнитных сил строятся магнитные ловушки для нейтронов.

Охлаждение атомов ионов может быть достигнуто с помощью лазерного излучения. Лазерное охлаждение может осуществляться в результате: радиационного давления, оптической накачки, спонтанного рассеивания и эффекта Доплера.

9. Преимущества и недостатки квантовых компьютеров на ионах в ловушках.

Преимущество таких квантовых компьютеров состоит в сравнительно простом управлении отдельными кубитами; относительная легкость реализации процесса считвания состояния ионов. Этот процесс сводится к измерению населенности кубитов по завершению процесса вычисления, однако, такие измерения должны быть выполнены на одном атоме и в этом состоит трудность.

Основными недостатками являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояний ионов в цепочке, решение проблемы декогерентизации квантовых состояний, ограниченность возможного числа кубитов не более 40.

В результате системы из ионов в ловушках без дальнейшего развития принципов кубитов на ионах, не могут рассматриваться в качестве аппаратного средства для квантового субкомпьютера, хотя, в качестве модельных структур они имеют определенные перспективы.