Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
3.9. Оптическая система адресации к отдельным ионам в кристалле\ЪЪ
Система адресации строится на основе электрооптического дефлектора, представляющего собой призму, коэффициент преломления которой управляется с помощью напряжения, изменяющегося в интервале ±3000 В. Напряжение переключается за время ~ 10 нс, полный диапазон отклонения пучка лазера составляет =Ь9мрад; в пределах этого интервала можно легко достигнуть ~ 102 сфокусированных и не накрывающихся положений пучка.
Фокусирующая система с эффективной длиной фокуса 30 мм обеспечивает фокусировку пучка шириной Змм в пятно диаметра Юмкм. При этом лазерный пучок должен быть наклонен под углом ~ 10° к нормали оси цепочки ионов для того, чтобы он имел продольную к оси кристалла составляющую. Иначе он не будет взаимодействовать с продольными колебаниями кристалла (СОМ модой). Из этого обстоятельства вытекает требование к фокусирующей системе: точки фокусирования должны лежать на наклонной линии к оптической оси системы [3.21]. Это достигается введением в систему клина с углом около 2°. Схема фокусирования в точках наклонной линии и распределение мощности лазера в различных точках фокусирования (эксперимент) показаны на рис. 3.8.
Рассмотренная схема позволяет контролировать не только интенсивность, но и поляризацию лазерного пучка.
Важной частью оптической системы является подсистема визуализации ионного кристалла. Она выводит на экран изображение отдельных ионов в кристалле, полученное путем детектирования люминесцентных фотонов (рис. 3.9) [3.21]. Эта система одновременно является системой считывания результатов вычислений на квантовом компьютере. Она состоит из двух линз. Линза 1 с фокусным расстоянием 15 мм, помещенная непосредственно в вакуумную камеру, собирает люминесцентное излучение ионного кристалла в телесный угол 0,25 ср. Через шлюз вакуумной камеры поток фотонов следует через узкополосный фильтр; линза 2 с фокусным расстоянием 110 мм направляет поток на вход двухуровневого усилителя изображения на основе микроканаль-ной пластинки (МКП). С выхода микроканальной пластинки изображение воспринимается видеокамерой; далее, информация накапливается и обрабатывается компьютером.
В другом варианте лазерной адресации к индивидуальным ионам вместо МКП был использован акусто-оптический дефлектор, что позволило производить быстрое переключение лазерного пучка с отдельного
156 Глава 3
Рис. 3.8. а) Элементы оптической системы, позволяющие фокусировать лазерный луч на отдельных ионах, расположенных (в ионном кристалле) вдоль наклонной линии (ось кристалла) [3.21]. Оптический клин (справа) обеспечивает этот результат, б) Лучевое изображение фокусировки.
иона на другой с малой ошибкой для цепочек в пределах мкс, содержащих вплоть до 10 ионов [3.23].
3.10. Декогерентизация состояний в квантовом компьютере на ионах в ловушке
Благодаря взаимодействию квантовой системы квантового компьютера с «окружением» возникают процессы разрушения квантовых когерентных состояний кубитов или декогерентизация состояний квантовой системы. В ходе квантовых вычислений производится воздействие на кубиты, в результате которых они совершают управляемую квантовую эволюцию. При этом образуются различные сложные квантовые суперпозиции состояний кубитов (см. также гл.1). Процессы декогерентизации, разрушая суперпозиции, разрушают сам процесс и результат квантовых вычислений. Поэтому декогерентизация является
3.10. Декогерентизация состояний в квантовом компьютере 157
Вакуумная камера
Рис. 3.9. Оптическая система для измерения квантового состояния отдельных ионов в ионном кристалле и получения изображения ионного кристалла [3.21].
одним из существенных препятствий к созданию квантового компьютера. Отсюда вытекает важность задачи исследования процессов декогерентизации в каждой квантовой системе, избранной для построения квантового компьютера.
Декогерентизация под воздействием окружения квантовой системы, происходящая в ходе вычислений, приводит к накоплению погрешностей в искомом решении. Однако погрешности в решении возникают также из-за неточного выполнения самих управляемых квантовых операций (вентилей), т. к. параметры этих операций задаются только с некоторой «физической» точностью. Поэтому целесообразно отнести к явлениям декогерентизации также и процессы, возникающие из-за отклонения от идеальности управляющих внешних полей. (По существу, это означает, что к «окружению» квантовой системы мы причисляем и самого экспериментатора с его аппаратурой, предназначенной для управления квантовой эволюцией в компьютере).
Число элементарных операций, необходимых для выполнения практически важных алгоритмов на квантовом компьютере (например, алгоритма Шора) составляет величину 109 и более. В предложенных до сего времени вариантах реализации квантовых компьютеров число элементарных операций за время декогерентизации составляет 103 104.
158
Глава 3
Поэтому необходимо, чтобы когерентность состояний в полномасштабном квантовом компьютере сохранялась в течение времени, эквивалентном превышению времени декогерентизации в 106 раз и более. Выход был найден в разработке специальных методов кодирования квантовой информации и квантовой коррекции ошибок (см. [3.24] и гл. 2). Оценка порогового значения погрешности при выполнении элементарных квантовых логических операций вычисления приводит к значению ~ 10-5; при погрешности меньше порогового значения квантовые вычисления могут продолжаться сколь угодно долго, так как с помощью методов коррекции ошибок из компьютера удаляется больше ошибок чем вносится. По существу, этот вывод, следующий из теории квантовой коррекции ошибок, является теоремой существования квантовых компьютеров.
