Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
290
Глава 6
дит в одно из возможных основных состояний. Иначе говоря, каждой совокупности состояний ячеек на входе соответствует своя новая конфигурация основного состояния всей системы и соответствующее состояние ячеек на выходе, которое и определяет результат вычисления. В этом состоит принцип «вычислений в основном состоянии» (ground state computing), используемый в беспроводной архитектуре клеточного автомата на квантовых точках. Существует глубокая аналогия таких клеточных автоматов с известными моделями искусственных нейронных сетей и спиновых стекол с фазовыми переходами, обусловленными взаимодействием магнитных ионов. Основными преимуществами такой организации являются устойчивость работы системы, надежность вычислений, хорошая помехозащищенность и нечувствительность к наличию дефектов.
Однако клеточные автоматы на пятиточечных ячейках встречаются с рядом трудностей, среди которых отметим возможность образования «изгибов» (kink) в распределении ориентации квадрупольных моментов вдоль цепочек ячеек в системе благодаря захвату дополнительного электрона в процессе передачи сигнала на какой-либо свободной точке ячейки, переход системы при быстром переключении не на основное, а на метастабильное возбужденное состояние, релаксация из которого в основное состояние происходит с рассеянием энергии в окружающую среду или путем передачи ее другим ячейкам, вызывая ложное их переключение [6.2]. Для преодоления последней трудности предполагается производить достаточно плавное адиабатическое переключение, при котором система в каждый момент времени остается в основном состоянии, соответствующем мгновенному значению внешнего сигнала V(t), плавно изменяя высоту потенциальных барьеров между квантовыми точками. При адиабатическом переключении в значительной степени сохраняется обратимость логических операций.
Рабочие температуры устройств на квантовых точках ограничены величиной энергии возбуждения электронов из основного состояния, которые в свою очередь определяются характерными размерами квантовых точек, и высотой барьера между квантовыми точками. Например, при размерах квантовых точек порядка 20 нм рабочая температура не превышает нескольких кельвинов.
Из обратимых пятиточечных ячеек могут быть построены любые логические элементы. На рис. 6.3 для примера представлена структура классического необратимого инвертора НЕ (NOT).
6.1. Клеточные автоматы на ячейках из квантовых точек
291
Рис. 6.3. Инвертор, построенный на пятиточечных ячейках [6.2]. Изображены только занятые электронами квантовые точки.
В качестве элементов клеточного автомата могут быть использованы и другие бистабильные устройства [6.1]. Например, в работе А. Короткова [6.3] было предложено в качестве отдельного элемента использовать линейную цепочку из нескольких квантовых точек, которая может находиться в двух состояниях — нейтральном и поляризованном (рис. 6.4), что позволяет обойти некоторые трудности, связанные с использованием пятиточечных ячеек.
- Распространение сигнала
Рис. 6.4. Передача сигнала без переноса заряда путем поляризации линейных элементов из восьми квантовых точек в схеме А. Короткова.
Квантовая точечная структура, являющаяся аналогом атома, представляет интерес также и с точки зрения наблюдения многочастичных эффектов в матрице таких связанных между собой структур. Удерживаемые гетероструктурными барьерами электроны в них могут туннельным образом переходить на соседние точечные структуры, образуя суперпозицию локализованных электронных состояний. Такая регулярная квазидвумерная система ведет себя как искусственный узкозонный кристалл со свойствами, управляемыми в широком диапазоне. При наполовину заполненной электронами узкой минизоне система аналогична переходному металлу, который может испытывать фазовые переходы металл-диэлектрик первого рода моттовского типа при соотношении
292
Глава 6
параметров в модели Хаббарда Tabt/U ~ 1. Управлять удерживающими электроны потенциальными барьерами можно с помощью воздействия внешним электрическим полем и тем самым управлять моттовским переходом и транспортными свойствами матрицы из квантовых точечных структур. Для этой схемы в [6.4, 6.5] предлагается использовать систему связанных квантовых точек несимметричной выпуклой формы (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Двухточечные ячейки выпуклой формы [6.4], Е — напряженность электрического поля.
Под действием электрического поля электроны переходят в суженую часть квантовой точки, с более широким эффективным барьером между точками с меньшим значением параметра Tabt и большим значением U. Передача информации от одного элемента к другому в такой матрице будет осуществляться путем, подобным распространению волн зарядовой плотности в обычных полупроводниковых кристаллах.
Рассмотренные выше устройства не являются в полной мере квантовыми клеточными автоматами, поскольку способны производить лишь цифровые вычисления на основе булевой логики и не способны выполнять квантовые алгоритмы, основанные на использовании свойств чистых квантовых состояний системы квантовых точек. В них не соблюдаются четыре из пяти основных требований для квантовых компьютеров, которые были перечислены ранее в гл. 3. Во-первых, ячейка с двумя состояниями, соответствующими двум значениям параметра поляризации Р, не обладает свойствами кубита. Во-вторых, в таких клеточных автоматах исходная инициализация квантовых состояний не производится. В-третьих, при тех температурах, которые предполагается использовать, время декогерентизации возбужденных состояний очень мало и, даже если бы инициализация была проведена, когерентность начального состояния была бы быстро разрушена. В-четвертых, квантовые состояния по крайней мере двух соседних ячеек не образуют контролируемые суперпозиции типа запутанных состояний, необходимые для выполнения двухкубитовых операций. Наконец, предполагаемые способы управления и контроля состояний отдельных квантовых
