Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
Механизм двухкубитовых операций в системах на электронных состояниях примесных донорах в полупроводнике, рассматриваемых в качестве кубитов, аналогичен рассмотренному выше.
5) Для обеспечения необходимой помехоустойчивости обменный интеграл должен контролироваться с точностью 10-4. Флуктуации значения J в основном определяются воздействием на кубиты внешнего 1//-шума. Однако для кубитов на электронных спинах влияние этих шумов гораздо слабее, чем для кубитов на зарядовых состояниях, но не пренебрежимо мало, и необходимо его подавление или использование соответствующих способов помехоустойчивого кодирования информации.
6) Для измерения спинового состояния отдельного электрона в твердом теле не требуется, в принципе, высокая квантовая эффек-
6.4. Квантовые компьютеры на квантовых точках
311
тивность. Если, например, квантовая эффективность составляет 1%, то квантовый компьютер может выдать достаточно надежный результат, если считывание повторить 100 раз (заметим, что этот процесс не нарушает теоремы о невозможности клонирования квантовых состояний, поскольку состояния дополнительных кубитов являются «копиями» только в измеряемом базисе). Однако лучше все-таки иметь высокую квантовую эффективность, поскольку желательно иметь малое число дополнительных кубитов, чтобы завершить измерение за более короткое время (например, в 100 раз), чем время декогерентизации.
Реально такое быстрое измерение состояния отдельного спина пока не может быть выполнено путем непосредственных магнитометрических методов воздействия на его магнитный момент из-за недостаточной их чувствительности. Наиболее обещающим способом является преобразование состояния спиновых степеней свободы электрона, которые трудно измерить, в состояния зарядовых степеней свободы, которые измеряются с помощью одноэлектронной электрометрической техники. Общая схема процесса считывания состояния одноэлектронного кубита с помощью одноэлектронного транзистора детально проанализирована в [6.21]. Этого можно в принципе достигнуть также с помощью других упоминавшихся в гл. 5 схем, в частности, путем использования спинового фильтра, представляющего собой частично прозрачный потенциальный барьер, разделяющий квантовую точку и одноэлектронный транзистор, с высотой, зависящей от спинового состояния электрона. В последнем случае к квантовой точке прикладывается такое напряжение, при котором электрон отражается от более высокого барьера, если спин имеет одну ориентацию, и туннелирует через более низкий барьер, если спин электрона имеет обратную ориентацию, что и детектируется электрометрическим устройством.
Вариант квантового компьютера на квантовых точках с электронными спинами, работающий на принципе клеточного автомата, управляемого только оптическими импульсами, был предложен в [6.22]. Автор вообще отказывается как от электрических, так и от магнитных методов управления и измерения. В качестве элементарной ячейки компьютера предлагается система, состоящая из основной квантовой точки и окружающих ее вспомогательных точек (ancillas), каждая ячейка имеет определенное число соединений с соседними ячейками.
Как однокубитовые, так и двухкубитовые операции выполняются в условиях, когда определенные вспомогательные точки возбужде-
312
Глава 6
ны (активное состояние ячейки). В основном состоянии ячейки не выполняют никаких операций (спящее состояние ячейки). Однокубитовые операции осуществляются с одной ячейкой стандартным способом путем поворота оператора электронного спина-кубита в основной квантовой точке на соответствующий угол при переходах под действием резонансных оптических импульсов круговой поляризации из возбужденного состояния определенной вспомогательной точки. Поскольку любой поворот может быть представлен как комбинация поворотов вокруг х и у осей, то предлагается расположить ячейки двумя слоями, в которых будут производиться тот или другой тип поворотов. Эти слои отличаются тем, что локальное магнитное поле на основных квантовых точках, которое создается с помощью постоянных магнитов наномет-ровых размеров, направлено для каждого слоя по разным диагоналям, образованным из ячеек квадратов.
Взаимодействие между двумя соседними ячейками, необходимое для выполнения двухкубитовых операций, включается в результате преобразования электронных волновых функций, вызванных переходом электронов с основных точек на более высокие свободные уровни энергии промежуточных вспомогательных точек. Этот переход осуществляется также с помощью соответствующих резонансных оптических импульсов. Декогерентизация состояний квантовых точек, находящихся в активном состоянии, определяется в рассматриваемой системе за счет декогерентизации состояний вспомогательной точки, которая однако имеет место только в сравнительно редкие периоды выполнения двухкубитовых операций, что во много раз увеличивает эффективное время декогерентизации кубитов. Вспомогательные точки необходимы также и для измерения конечных состояний.
Основные преимущества квантовых компьютеров на электронных спинах по сравнению с ЯМР квантовыми компьютерами состоят в следующем:
