Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
5.3.9 Чтение кубитов
При завершении квантового вычисления необходимо прочитать результат этого вычисления, т.е. определить состояние регистра кубитов. Очевидно, что этот шаг подразумевает проицирование состояния ионов в базисе состояний, используемом для детектирования.
Линейные ионные ловушки для квантовых вычислений 225
Квантовый компьютер на ионных ловушках имеет то преимущество, что чтение происходит почти со 100%-ой вероятностью детектирования при использовании метода, который впервые применялся для детектирования квантовых скачков в единичных ионах [234] (см.разд. 5.2.8). Каждый ион последовательно освещается лазером, настроенным на быстрый переход, связанный только с одним состоянием кубита; при этом регистрируется возникающая флуоресценция (рис.5.23). Наличие рассеянного света свидетельствует о заселенности связанного состояния, отсутствие флуоресценции - о заселении ортогонального состояния. Суперпозиция состояний может быть исследована при перевороте кубита перед детектированием.
Рис. 5.23. Измерение состояний ионных кубитов. К каждому иону имеется доступ лазерного пучка, настроенного на переход чтения (см рис. 5.21а) и запись флуоресценции.
5.3.10 Заключение
В предыдущих разделах мы остановились на принципах действия ионных ловушек и их примененях в задачах выполнения квантовых вычислений.
В настоящее время цепочка ионов в линейной ловушке представляется наиболее обещающим кандидатом для демонстрации основной концепции квантового компьютера. Главные преимущества такой системы - большие времена декогерентности внутренних состояний ионов и возможность приготовления, когерентного контроля и чтения состояний кубитов с помощью лазерных импульсов. Среди квантовых вычислительных схем, недавно реализованных экспериментально, ионные ловушки имеют, по крайней мере теоретически, наибольший потенциал для выполнения масштабирования, чтобы создать достаточно длинные кубитовые регистры для запуска полезных квантовых алгоритмов.
В реально осуществимом ионно-ловушечном квантовом компьютере размер вычислений, которые могут быть выполнены, ограничивается чисто практическими проблемами. Флуктуации электромагнитного поля и столкновения с остаточный газом в вакуумной камере могут привести к скорости потери когерентности большей, чем
226 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
скорости радиоактивного распада внутренних состояний иона. Еще более разрушительным фактором является декогерентность колебательных состояний ионной цепочки. Для единичного иона 198Hg+ переход с основного колебательного уровня происходит за 0.15с [214], в то время как в случае 9Ве+, измеренное время жизни составляет 1мс [211]. Экспериментальные результаты для ионов 40Са+ см. в [215]. Такие процессы устанавливают верхний предел на количество операций, выполняемых квантовым компьютером до потери когерентности. Однако, с точки зрения недавних экспериментальных результатов [212, 216], некоторые серьезные технические ограничения могут быть преодолены с использованием дышащих мод в качестве квантовой шины данных.
Существуют и другие проблемы при выполнение квантовых вычислений во время логических операций. Процессами, ухудшающими качество эволюции системы, являются неточность временных характеристик лазерных импульсов, погрешности в частотных расстройках а также интенсивностях и фазах лазерных пучков, отклонения от фокальной плоскости положений ионов. Однако, такие погрешности могут быть в конечном счете последовательно учтены с помощью методов коррекции ошибок и специальных протоколов.
Хотя количество ионов, которое может быть удержано в ловушке, должно быть ограничено размером ловушки и мощностью лазера, используемого для охлаждения, до сих пор цепочки только из двух ионов были успешно охлаждены в основное состояние движения [216]. В ближайшем будущем хотелось бы увеличить это число до нескольких десятков ионов, но необходимы тысячи кубитов и миллиарды лазерных импульсов для выполнения, к примеру, алгоритма Шора по факторизации больших чисел. Нам представляется, что в настоящее время это находится вне экспериментальных возможностей. Однако, ионные ловушки служат лучшими моделями для тестирования небольших сетей квантовых ЛЭ, также как и схем квантовой коррекции ошибок. В этом направлении ионные ловушки представляют собой идеальный объект для синтеза, манипуляций и апробирования перепутанных квантовых состояний цепочек ионов.
5.4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ЯДЕРНОМУ МАГНИТНОМУ РЕЗОНАНСУ
Дж. А.Джонс
5.4.1 Введение
При ядерном магнитном резонансе (ЯМР) изучаются переходы между зеемановскими подуровнями атомных ядер в магнитном поле. На основе этого простого определения трудно представить себе, как ЯМР мо-
Эксперименты по ядерному магнитному резонансу 227
жет кого-либо заитересовать. Однако в действительности, ЯМР лежит в основе одного из наиболее важных спектроскопических методов, используемых в науках, занимающихся изучением молекул [235, 236]. Это происходит потому, что частоты сигналов ЯМР крайне чувствительны к детальному химическому окружению ядер, и таким образом, тщательное изучение ЯМР-спектра молекул позволяет определять их структуру.
