Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
Каждая ячейка ABC описанной структуры может использоваться для записи информации путем изменения состояния одного спина. В состоянии логического кубита «|0)» все ядерные спины ячейки из трех спинов находятся в основном состоянии, а в состоянии кубита «|1)» — один из спинов ячейки находится в достаточно долго живущем неосновном возбужденном состоянии. Отметим имеющуюся здесь характерную особенность: состояния отдельных ядерных спинов не совпадают с состояниями логических кубитов. Поскольку из трех ядерных спинов только один может находиться в неосновном состоянии, скорость декогерентизации логического кубита определяется скоростью декогерентизации одного из трех ядерных спинов в ячейке.
268
Глава 5
Записанная информация далее распространяется посредством сдвигового механизма клеточного автомата. Для этого может быть использован каскад унитарных операций обмена SWAP: А => В, В => С, С => А, А => В,..действующих одновременно на все спины в периодической цепочке. Например, последовательность из 7г-импульсов с резонансными частотами производит передачу
информации записанной на спине А (состояние «|1))» в некоторой ячейке ABC путем обмена состояниями между примыкающими спинами А и В (для спина А на конце цепочки иначе), во всей одномерной цепочке, независимо от состояния спинов С.
В такой простой системе с помощью только соответствующей последовательности импульсов можно выполнить любую цифровую и квантовую логическую операцию. В этом смысле такой квантовый компьютер является универсальным.
Также модель твердотельного ансамблевого ЯМР квантового компьютера была описана в сообщении [5.36], где рассматривалась периодическая структура типа АВСАВСАВС ... в двух- и трехмерных структурах с ядерными спинами трех различных типов. Атомы с ядрами
I — 1/2 внедрены в кристаллическую решетку некоторого соединения с бесспиновыми ядрами. Кроме того, кристалл содержит вспомогательные примесные атомы D с ядерным спином 1/2, располагающиеся вблизи некоторых спинов А, и имеющие отличную от всех других ядерных спинов резонансную частоту. Им может быть, в частности, один из трех атомов основного состава, если он находится на конце одномерной структуры, где он имеет только одного соседа с одной стороны. Этот примесный атом будет служить портом для ввода и вывода информации, а малое окружение его из десятков ABC-единиц будет образовывать одну «искусственную молекулу» с десятками кубитов в одномерном случае, состояние которых кодируется только на трех различных типах спинов. Информация в такую систему вводится путем установления соответствующего состояния для D-спинов, с которых она передается с помощью операции SWAP соседним А-спинам. Все операции будут выполняться селективным образом с помощью радиочастотных импульсов, если резонансные частоты достаточно различимы. После передачи информации D-спин возвращается в свое исходное основное состояние. Считывание состояния любого кубита в этом случае предполагается осуществлять путем передачи информации о его состоянии какому-либо ближайшему D-спину и последующего измерения его со-
5.4. Квантовые компьютеры с архитектурой клеточных автоматов269
стояния. Если перейти к трехмерным легированным структурам, то ближайшее окружение каждого примесного атома D во всех трех измерениях может содержать более тысячи кубитов. Независимые ЯМР квантовые компьютеры на таких искусственных молекулах при выполнении всех операций будут работать параллельно, осуществляя тем самым ансамблевый принцип работы квантового компьютера.
При достаточно низких температурах, когда все спины находятся в начальный момент в основном состоянии (инициализированы), в таком ЯМР квантовом компьютере не возникает трудностей, связанных с экспоненциальным уменьшением измеряемого сигнала с ростом числа кубитов в «молекуле». Даже при более высоких температурах ЯМР квантовый автомат является хорошим кандидатом для создания мно-гокубитового квантового компьютера при использовании методов динамической поляризации ядерных спинов, поскольку не потребуется концентрации соответствующих воздействий в малых областях нано-метровых размеров, как в вариантах компьютеров с индивидуальным обращением к кубитам.
Детектирование состояния D-спинов в достаточно большом ансамбле «молекул» возможно производить с помощью методов ЯМР. Однако в случае, когда их число недостаточно велико, по-видимому, выгодным будет использование также и оптических методов.
Таким образом, легирование примесями трехмерной сверхрешетки из ядерных спинов позволило бы создать квантовые автоматы с высокой интеграцией, в которых весь кристалл будет представлять собой большой ансамбль идентичных параллельно работающих ЯМР квантовых компьютеров.
Другой твердотельный ансамблевый подход был предложен Бенжа-мином [5.37]. Им было показано, что для построения квантового компьютера, работающего на принципе клеточного автомата достаточно только двух разных типов двухуровневых элементов — физических кубитов А и В, в частности, ядерных спинов, отличающихся резонансными частотами. Пусть каждый спин имеет основное | \) и возбужденное | t) состояния, которые могут образовывать и квантовую суперпозицию. В исходном состоянии состояния всех спинов инициализированы,
