Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
Что касается проблемы увеличения масштабов, то эксперименты по ионам в ловушках выглядят более обещающими, т.к. возможно при-
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 175
готовить и охладить цепочку ионов в линейной ловушке. Эту цепочку можно рассматривать как регистр кубитов, в котором к каждому кубиту (выполненному на одном атоме) можно обеспечить доступ путем жесткой фокусировки лазерных пучков. В разделах 5.2.5 - 5.2.12 демонстрируется, как осуществляется квантовая логика на уровне единичных ионов, а в разд. 5.3 представлен общий обзор экспериментов по квантовым вычислениям с цепочкой ионов.
Третий метод квантовых вычислений основан на ядерном магнитном резонансе (ЯМР). Здесь уже были продемонстрированы результаты по выполнению небольшой последовательности простых квантово-логических операций. ЯМР подразумевает переходы между зе-емановскими подуровнями атомных ядер в магнитном поле. Частоты ЯМР сигналов ядер внутри молекул зависят от детального химического состава окружения ядер. Это открывает доступ к различным ядерным спинам внутри отдельных молекул. Спины играют роль кубитов, которые связаны друг с другом посредством сильных спин-спиновых взаимодействий внутри молекул. Такая связь составляет основной элемент квантового вычисления. В разделе 5.4 описываются принципы квантовых вычислений на основе ЯМР.
Более изощренные пути подхода к построению квантовой логики основаны на твердотельных устройствах. Но хотя прорыв в построении таких устройств был бы чрезвычайно важен, область такого рода исследований не является достаточно развитой, чтобы обсуждать ее в этой книге.
5.2 Эксперименты по КЭР:
атомы в резонаторах и ионы в ловушках
Х.С.Ногель, Д.Лейбфрид, Ф.Шмидт-Калер, Дж.Эшнер, Р.Блатт, М.Брунэ, Дж.М.Раймонд, С.Харош.
5.2.1 Двухуровневая система, взаимодействующая с квантовым осциллятором
Атом в оптическом резонаторе или ионы в ловушке могут рассматриваться в хорошем приближении, как двухуровневая система, взаимодействующая с квантовым гармоническим осциллятором. В одном случае двухуровневый атом связывается с модой резонатора. В другом - два внутренних состояния иона (сверхузкие или метастабиль-ные уровни энергии) связываются с колебательными степенями свободы ионов в ловушке. Поэтому обе системы характеризуются одним и тем же взаимодействием. Гамильтониан взаимодействия (Джэйнса-Каммингса) может быть записан в виде:
176 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
яш. =-Ь~(асг+ +а+а~) , (5.1)
где а+ и а - операторы рождения и уничтожения для квантового осциллятора, ст+ и сг повышающие и понижающие операторы для двухуровневой системы, Q - постоянная связи. Такой гамильтониан описывает излучение и поглощение фотонов (в случае КЭР экспериментов) или фононов (в случае экспериментов с ионами в ловушках), сопровождаемые атомными или ионными переходами. Когда мода гармонического осциллятора находится точно в резонансе с частотой перехода двухуровневой системы, гамильтониан описывает реальный обмен энергией. Если же система выведена из резонанса, то процессы передачи энергии виртуальны и взаимодействие приводит к сдвигу фазы атомных уровней.
Ключевой момент заключается в реализации режима сильной связи, когда простое взаимодействие (5.1) доминирует над всеми процессами релаксации, такими как спонтанное излучение атомов, фо-тонное/фононное затухание и декогерентность, вызванная тепловым шумом. Убедительная экспериментальная реализация простейшей системы поле-вещество позволяет продемонстрировать элементарные операции квантовой логики. В то же время эти эксперименты призваны служить тестами в нашем понимании некоторых аспектов квантовой теории, наименее всего поддающихся интуиции, таких как нелокальное перепутывание и мезоскопические суперпозиции состояний.
КЭР развивалась как в оптическом, так и в микроволновом диапазонах - основные принципы проведения экспериментов очень близки. Обзор этих двух типов экспериментов можно найти в [160]. В оптической области атомные переходы требуют наличия высокодобротных резонаторов. Здесь режим сильной связи уже был исследован и реализован. В этом разделе мы уделим основное внимание микроволновому диапазону. Долгоживущие, легко регистрируемые циркулярные ридберговские атомы сильно связываются с излучением миллиметрового диапазона, находящимся в высокодобротном сверхпроводящем резонаторе. Атомы с тепловыми скоростями, проходя через резонатор, оказываются в перепутанном состоянии с модой поля. Времена жизни поля в резонаторе и в атомной двухуровневой системы намного превышают время взаимодействия. Поэтому, поле и атом остаются перепутанными даже после того, как атом покинет резонатор. Таким образом, общее квантовое состояние поля и атома, может быть исследовано или использовано уже после того, как атом покинет резонатор.
Во втором типе экспериментов, рассматриваемом в этом разделе, обсуждаются ионы, запертые в гармонической электромагнитной
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 177
ловушке. Квантовый осциллятор представляет собой специфическую колебательную моду ионов. Мода связана посредством лазерных импульсов с внутренним состоянием ионной двухуровневой системе. При точной настройке световых лазерных импульсов взаимодействие движения иона с внутренним состоянием с хорошей точностью описывается гамильтонианом типа Джейнса-Каммингса. Большие времена когерентности ионной двухуровневой системы и колебательной моды удается получить с использованием методов, применяемых при создании ионных стандартов частоты.
