Квантовые вычисления - Стин Э.
Скачать (прямая ссылка):
предложения, касающиеся экспериментальных квантовых вычислений (Lloyd
1993, Berman et. al. 1994, Barenco et. al. 1995, DiVincenzo 1995)
затрагивали другие, не менее важные методы, но являлись экспериментально
нереализуемыми, другие же (Privman et. al. 1997, Loss and DiVincenzo,
1997) могут стать осуществимыми в ближайшем будущем.
Ч
8.1. Ионная ловушка
Метод ионной ловушки проиллюстрирован на рис. 12. Его подробное описание
можно найти у Стина (Steane 1997). Цепочка ионов помещается в линейную
"ловушку Пола" в абсолютный вакуум (10~8 Па) посредством комбинации
статических и переменных электрических полей. Луч лазера расщепляется
посредством светоделителей и акусти-ческо-оптических модуляторов на
множестве лучевых пар, каждая из которых облучает лишь один ион. Каждый
из ионов может находиться в одном из продолжительных состояний,
представленных, например двумя уровнями основного состояния сверхтонкой
структуры (время жизни подобных состояний, в противоположность
спонтанному распаду, может составлять тысячи лет). Обозначим данные
состояния как |g) и |е). Они ортогональны и совместно представляют один
кубит. Каждая пара лазерных лучей вызывает когерентный переход Рамана
между внутренними состояниями соответствующего иона. Данная операция
позволяет применить к иону любой однокубитовый, но не двухкубито-вый
гейт, т. к. для реализации последнего необходимо создать взаимодействие
между ионами, которое обеспечивается силами электростатического
отталкивания. Однако далеко не ясно, как использовать данное
80 Глава 8
Рис. 12. Процессор (для обработки квантовой информации) на основе ионной
ловушки. Цепочка атомов, несущих единичный элементарный заряд, помещена в
линейную ионную ловушку. Вследствие действия электростатической силы
между ионами сохраняется расстояние ~ 20рм. На каждый ион действует пара
лазерных лучей, что приводит к согласованным преобразованием Рамана
(Raman) и преобразованиям состояния движения цепочки. Степень свободы,
определяемая движением цепочки, играет роль однобитового "транспорта",
переносящего квантовую информацию между ионами. Создание какого-либо
состояния осуществляется посредством оптической накачки и лазерного
охлаждения; считывание информации происходит с помощью electron shelving
и флуоресценции, появляющейся при резонансе. Данные способы обеспечивают
высокий уровень сигнала, полученного при измерении состояния иона, по
отношению к уровню помех
взаимодействие; для его объяснения от Кирака и Золлера потребуется
большая проницательность. \
Луч лазера переносит не только энергию, но и импульс, поэтому при
взаимодействии его с ионом происходит обмен импульсами. Фактически,
взаимное электростатическое отталкивание приводит к тому, что при
квантовании движения вся цепочка ионов начинает двигаться как одно целое
(эффект Мёссбауера (Mossbauer)). Движение данной цепочки является
квантованным вследствие того, что она помещена в потенциал, создаваемый
ловушкой Пола. Квантовые состояния движения соответствуют различным
степеням возбуждения ("фононам") нормальных мод колебаний цепочки. В
частности, ниже будут рас-
8.1. Ионная ловушка
81
смотрены основное состояние движения \п = 0) и наименее возбужденное
состояние |n = 1) основной моды. С целью получения, например, операции
"controlled Z" для двух ионов ж и у рассмотрение необходимо начать с
основного состояния движения |п = 0). Импульс лазерных лучей, действующих
на ион х, приводит к следующему переходу: \п = 0)|g)x -> |n = 0)|g)x, |п
= 0)|е)ж -> |n = l)|g)x- Таким образом, к концу перехода ион находится в
основном состоянии, а состояние движения совпадает с начальным состоянием
иона: данное действие является операцией "обмена". Далее, импульс
лазерных лучей, воздействующих на ион у, приводит к переходам:
\п = 0)|g)" -> |n = 0)|g)"
|п = 0)|е)" -> |п = 0)|е)"
Iп = l)|g)" -> |п = l)|g)y
|п = 1)|е)в -> \п = 1)|е)".
В заключении воздействуем на ион х еще одним импульсом. Общий эффект
действия трех импульсов следующий:
= о>1я)х!я)у ->|n = o)|g)x|g)"
\п = 0)|g)x|e)y -> |п = 0)|g)x|e)j,
I" = 0)|e)x|g)y -> \п = 0)|e)x|,g-)j,
| п - 0)Je)xje)y ^ 171 - 0)|е)г|е)у,
что в точности соответствует операции "controlled Z" для ионов хну.
Каждый лазерный импульс должен контролироваться по частоте и
продолжительности. Операция "controlled Z" и однокубитовые гейты образуют
универсальное множество и обеспечивают любые преобразования общего
состояния всех ионов!
Для выполнения требований, предъявленных к квантовому компьютеру (раздел
6), необходимо создать начальное и измерить конечное состояния. Решение
первой задачи возможно посредством методов оптической накачки и лазерного
охлаждения. Решение второй - с помощью измерительных методик: квантового
перехода, либо electron shelving.
Все данные методики являются мощными инструментами, разработанными за
последние двадцать лет группами ученых, связанных
82
Глава 8
с проблемами атомной физики. Несмотря на это, одновременное применение
