10. Жидкостные ямр квантовые компьютеры. Квазичистое состояние. Формирование квантовых вентилей методом ямр.

Эти квантовые компьютеры используют в качестве кубитов спинов ядра атома, принадлежащих молекулам органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного магнитного резонанса для управления кубитами. Состоянием кубита могут служить направления спинов атома (вверх или вниз). В области ЯМР-компьютеров на органических жидкостях достигнуты наибольшие успехи и созданы простейшие квантовые компьютеры.

В таком компьютере огромное число молекул действуют параллельно, обеспечивая тем самым возможность управления ими с помощью хорошо известных техник ядерного магнитного резонанса операций над всем макроскопическим объемом жидкости. Последовательности радиочастотных импульсов, выполняющие в этом случае роль определенных квантовых логических вентилей, осуществляют глобальные унитарные преобразования состояний соответствующих ядерных спинов всех ядерных спинов компьютерного ансамбля. Обращение к отдельным кубитам заменяются к одновременному обращению к соответствующим кубитам определенного ансамбля. Компьютер такого рода получил название «Ансамблевого», он может работать при комнатной температуре.

Экспериментально удалось создать компьютеры с числом квантовых спинов 3, 5, 6 и 7.

Благодаря слабой связи ядерных спинов молекул с окружением в жидкости, вместо рассмотрения всего большого ансамбля, состоящего из громадного числа спинов жидкости, оказывается возможным перейти к рассмотрению приведенного квантового ансамбля, включающего лишь ядерные спины только указанной молекулы. Характерным является то, что ансамбль при конечных температурах находится в смешанном состоянии, описываемом матрицей плотности с размерностью 2^L, где L – число кубитов, у которой, в отличие от матрицы плотности чистого состояния отлично от нуля не одно, а 2^L собственных значений, имеющих смысл населенности соответствующих базисных состояний. Образование смешенного состояния обусловлено наличием слабого взаимодействия отдельных молекул с окружающим резервуаром с очень большим числом степеней свободы. Это то взаимодействие, которое определяет процессы декогерентизации и дессипации. Процесс инициализации состоит в переводе в исходное базовое состояние всех кубитов. Смешанный характер квантового состояния спинов кубитов жидкости требует особого способа инициализации. Таким способом может быть преобразовано смешанное состояние с помощью определенной неунитарной операции к так называемому эффективному или квазичистому состоянию, которое по отношению к логическим квантовым операциям ведёт себя подобно чистому квантовому состоянию, с той лишь разницей, что интенсивность сигнала оказывается уменьшенной в Е раз.

Было предложено несколько способов формирования квазичистого состояния из смешанного теплового равновесного состояния:

• Приготовление квазичистого состояния методом логической метки. Метод сводится к фиксированию состояния вспомогательного спина в начальном смешанном состоянии двух спинов.

• Метод пространственного усреднения. Используется метод ЯМР радиочастотного импульса, которые приводят к пространственному распределению фаз недиагональных компонент матрицы плотности. Таким образом можно добиться того, что матрица плотности примет диагональный вид, соответствующий квазичистому состоянию определенного ансамбля. Таким образом происходит пространственное разделение молекул на подансамбли.

• Метод временного усреднения. В этом случае не обязательно нужны вспомогательные кубиты; его можно использовать при любой температуре и не требуется различать квантовые подансамбли молекул. При высоких температурах отношение сигнал/шум может иметь достаточно большое значение для эффективного определения состояния кубитов.

По сравнению с процессом инициализации формирование квантовых вентилей в ЯМР КК оказывается сравнительно простым и основано на хорошо разработанных импульсных методах спектроскопии.