Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
3.8. Лазерные системы квантового компьютера на ионах в ловушке
В квантовом компьютере лазеры используются для выполнения следующих четырех процессов:
1) охлаждение ионов в ловушке на основе использования эффекта Допплера, с целью образования одномерного ионного кристалла,
2) охлаждение ионов в ионном кристалле путем возбуждения боко-
152
Глава 3
вых полос с целью приведения коллективного движения цепочки ионов к основному состоянию (процесс инициализации),
3) выполнение квантовых логических вентилей (операций),
4) считывания результатов вычислений, то есть измерения состояния внутренних кубитов ионов.
Эти процедуры были описаны выше в основном с физической точки зрения; здесь же приведем сведения о необходимых параметрах лазеров, выполняющих эти процедуры на ионах Са+ [3.21].
Для охлаждения ионов в ловушке необходимы лазеры с длинами волн Л = 397нм (переход 4?S1/2 —>• 42Р1/2) и Л = 866нм
(переход 32D3/2 —>• 42Р\/2) (см. рис. 3.9). В экспериментах в JIoc-Аламосе [3.21] для этого использовался титан-сапфировый лазер с длиной волны А = 866 и он же, с удвоением частоты, как лазер с А = = 397. Интенсивность насыщения перехода. 42*S'1/2 42Pi/2 составля-
ла ~ 10 мВт/см2 при ширине линии лазера ~ 10 МГц.
В процессе первого допплеровского охлаждения ион может из состояния 42Pi/2 перейти на метастабильный уровень 32^3/2; а чтобы не происходило «пленения» иона в этом состоянии использовался второй титан-сапфировый лазер с длиной волны А = 866 нм (переход 321^з/2 —У 42Р1/2).
Второй процесс оптического охлаждения колебательного движения ионов в ионном кристалле выполняется с помощью лазеров с А = 732 нм (переход 42*S'1/2 —>• 32D3/2) и с А = 866нм (переход 32D3/2 —>• 42Р1/2) (рис. 3.6). Лазер с длиной волны А = 732 нм должен быть настроен на боковую антистоксовскую линию ио — uz, ио — круговая частота перехода, uoz — частота СОМ моды колебаний кристалла. Из значения {jJz/2'к = 200кГц вытекает требование к ширине линии лазера 7, то есть 7 < 200 кГц. Для возбуждения этой боковой линии требуется также повышенная мощность лазера, так как переход на частоте ujo является квадрупольным. Согласно [3.21], необходимым требованием может удовлетворить титан-сапфировый лазер при контроле его частоты с помощью эталонного резонатора, при мощности ~ 25 мВт. Второй лазер с А = 866 нм используется с целью связывания состояний 42Р1/2 и 32Dz/2 для того, чтобы уменьшить эффективное время жизни состояния 32D%/2 и уменьшить время охлаждения.
Квантовые вентили и измерения могут быть выполнены, используя лазеры с описанными выше параметрами. Применение диодных лазеров могло бы упростить лазерную часть аппаратуры квантового компьюте-
3.9. Оптическая система адресации к отдельным ионам в кристалле\Ь?>
396,847 нм
7,7 ±0,2 не /
393,366 нм 7,4 ±0,3 не
854,204 нм 101 не 849,802 нм ?01 не 866,214 нм'
93,3 не
729,147 1,064 с
732,389 нм 1,08 с
Рис. 3.6. Схема уровней энергии иона Са+. Приведены времена спонтанных переходов «сверху вниз». Для электрических дипольных переходов время составляет 10-100 не; для квадрупольного перехода гораздо больше — порядка 1 с [3.21].
ра. Длительные квантовые вычисления на компьютере требуют, чтобы время когерентности лазера было сравнимо с временем вычислений. Требование большого времени когерентности может быть легче удовлетворено при работе на кубите по рамановской схеме, так как в этом случае исключается дрейф фазы лазеров.
3.9. Оптическая система адресации к отдельным ионам в кристалле
В составе квантового компьютера должна быть оптическая система, управляющая лазерами с целью достижения следующих целей:
154
Глава 3
1) исполнения квантовых операций с точностью не хуже 0,1%;
2) быстрой переадресации лазерного пучка с одного иона на другой в кристалле, фиксации пучка на ионе, обеспечивая при этом минимальное «накрывание» (cross-talk) соседних ионов.
Схема используемой в Лос-Аламосе оптической системы приведена на рис. 3.7.
Одномодовое
оптоволокно
Поляризаторы
Н Ячейка ^ уПоккельса/
Ячейка
Интегрирующий Поккельса детектор (переключатель)
Смеситель
Коллиматор
«Поглотитель шума»
Ионы
Электрооптический фокусирующая
л«рп1 юф™р
охлаждение, накачка и т.д.
Рис. 3.7. Схема управления квантовой динамикой ионов в кристалле посредством фокусированных на отдельном ионе лазерных импульсов [3.21].
Помимо соблюдения уже рассмотренных выше ограничений, касающихся частоты и поляризации лазерного излучения, при выполнении квантовых логических операций необходимо обеспечить точный контроль за площадью (произведение интенсивности лазерного пучка на длительность импульса) используемых лазерных импульсов (7г/2,7г, 27г-импульсы). Для этого мощность лазера поддерживается постоянной в переделах 0,1% с помощью устройства, называемого поглотителем шума (noise-eater), которое представляет собой электро-оптическую ячейку Поккельса, помещенную между двумя поляризаторами Н и V. С помощью сигнала обратной связи от проходящего луча на выходе интегрирующего детектора производится поворот плоскости поляризации луча лазера, посредством которого регулируется коэффициент прохождения поля лазера через поляризатор V (рис. 3.7) и тем самым регулируется мощность лазерного импульса. Аналогичное устройство может служить для включения и выключения лазерного излучения за время порядка наносекунды, что определяет ширину фронта импульсов. Такая техника позволяет контролировать площадь импульсов с точностью около 0,1%.
