14. Полупроводниковый ямр квантовый компьютер, контролируемый свч и лазерными импульсами.

Полупроводниковый ЯМР КК, в котором для управления кубитами и измерения их состояний наряду с электрическими используется СВЧ и лазерные импульсы, являются альтернативой по отношению к модели полупроводникового квантового ЯМР КК с индивидуальным обращением к кубитам. Этот вариант облегчает решение задач, связанных с измерениями состояния тех кубитов, но при этом сохраняются недостатки, связанные с системой затворов. Позволяет избежать трудновыполнимого на данный момент использования наноэлетронных измерительных устройств типа электронных транзисторов для измерения состояния отдельных кубитов в ядерных спинах. Структура представляет собой световод на кремниевой подушке, образуемой бесспиновым кремнием Si. В кремний внедрены атомы A, C таким образом, что они образуют две совокупности регулярно расположенных параллельных одномерных цепочек с одинаковым шагом. Соответственно из А и В атомов. При этом цепочка из С атомов - сдвинута на полшага.

Путём изменения напряжения на затворах можно изменять направление этих лепестков и управлять величиной их взаимодействия.

Ближайшее расстояние между атомами А и С должно быть порядком 20 нанометров. Под действием СВЧ-импульсов на определённой частоте происходит одновременное переворачивание электронного спина и образование закупорных(?) спинов. Скорость выполнения операций в таком компьютере будет определяться скоростью, с которой СВЧ-импульсы могут вызывать одновременно электрон-ядерные переходы.

Эта скорость ограничивается величиной суперсверхтонкого взаимодействия и лежит в диапазоне от 10 ГГц. Инициализация переходного состояние может быть осуществлена либо с помощью обычной техники двойного электрон-ядерного спинового резонанса, либо с помощью воздействия лазерными импульсами и соответствующими СВЧ-импульсами, что гарантирует приготовление любого начального состояния. Ввод информации предлагается производить селективно (выборочно) в электронную или ядерную систему путём СВЧ-импульсов, сопровождающихся возбуждением электронных состояний с помощью лазерных импульсов. Для эффективного считывания информации предлагается привлечь метод наблюдения оптической флюоресценции из-за электронных состояний. Такой тип квантовых компьютеров удовлетворяет всем основным требованиям, предъявляемым к квантовым компьютерам.

Вопрос только в выборе рабочих атомов А и С. И невыяснено детали измерения состояний кубитов. В этой реализации квантового компьютера эффективно использование ансамблевого подхода.

15. Ансамблевые варианты твердотельных ямр квантовых компьютеров.

Основным недостатком модели Кейна является малый уровень сигнала, получаемого при индивидуальном обращении к спину отдельного атома, требующий весьма тонких электрических измерений. Поэтому заманчивым представляется использование уже продемонстрированного в жидкостных квантовых компьютерах ансамблевого подхода, позволяющего путем перехода к ансамблю эквивалентных параллельно работающих компьютеров существенно увеличить уровень сигнала на выходе компьютера. Было предложено несколько различных вариантов твердотельных ансамблевых подходов.

1. Своеобразный вариант ансамблевого твердотельного ЯМР КК был предложен еще до появления модели Кейна. Он основан на использовании сверхтонкого взаимодействия ядерных спинов и спинов электронов проводимости в двумерном электронном газе, находящемся в условиях квантового эффекта Холла, который впервые наблюдался в МОП-структуре в 1980 году. Двухмерный электронный газ может образовываться в различных гетероструктурных переходах. При температуре порядка 1 К и внешних магнитных полях порядка нескольких тесла существуют интервалы значений магнитных полей, при которых электроны в двухмерном газе заполняют целое число уровней Ландау. Электронный газ тогда образует недиссипативную квантовую жидкость, т.е. находится в когерентном квантовом состоянии, а зависимость холловской проводимости от концентрации электронов или внешнего магнитного поля имеет платообразные участки конечной длины при значениях, кратных q²/(2pi*h), где q – заряд свободного электрона (целочисленный эффект Холла). Экспериментально измеренное время спин-решеточной релаксации ядерных спинов в такой системе составляет от нескольких минут до получаса. В условиях квантового эффекта Холла прямое диполь-дипольное взаимодействие ядерных спинов пренебрежимо мало. Основным взаимодействием является косвенное спиновое взаимодействие через электроны проводимости двухмерного электронного газа. Это взаимодействие экспоненциально затухает с расстоянием r.

2. Другой ансамблевый вариант полупроводникового квантового компьютера на ядерных спинах – в предполагаемой схеме затворы А, как и затворы J, образуют цепочки узких (l_A~10 нм), но длинных (микроны) проводящих полосок, вдоль которых на расстоянии l_y друг от друга располагаются донорные атомы. Возможны два случая. Пусть расстояние ly настолько больше l, что обменное спиновое взаимодействие между электронами донорных атомов вдоль полосковых затворов (ось y) пренебрежимо мало и регулярность расположения доноров вдоль оси не играет роли. Тогда такая система распадается на параллельные структуры из кубитов, расположенных в направлении оси х. Они образуют ансамбль параллельно действующих независимых копий эквивалентных компьютеров Кейна, играющих роль больших искусственных «молекул». При таком ансамблевом подходе, сигнал, снимаемый с полоскового затвора, увеличивается в соответствующее число раз. Более сложная ситуация возникает, когда ly < l и обменное взаимодействие между электронными спинами вдоль полосковых затворов способствует образованию искусственных квазиодномерных антиферромагнитно упорядоченных цепочек. При температурах значительно более низких, чем критическая температура Нееля, мы имеем чистое макроскопическое электронное спиновое квантовое состояние.

3. Рассмотренные выше варианты, включая и модель Кейна, предполагают создание определенных искусственных наноструктур. Особняком стоит вариант ансамблевого компьютера. В качестве кубитов в нем рассматриваются ядерные спины фтора, принадлежащие не искусственной структуре, а естественному твердому кристаллу флюорапатита, которые располагаются в виде одномерных цепочек в параллельных плоскостях кристалла. Исходную поляризацию ядерных спинов предполагается достигать путем охлаждения кристалла до очень низких температур. Время релаксации ядерных спинов в этом случае очень велико. Основной проблемой является подавление тех диполь-дипольных спиновых взаимодействий, которые приводят к декогерентизации спиновых состояний при сохранении взаимодействий, необходимых для выполнения логических операций.

Ансамблевые способы организации квантовых вычислений и измерений конечного состояния кубитов являются хорошей перспективой для создания твердотельных ЯМР КК по сравнению с вариантами, использующими индивидуальное обращение к кубитам.