Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
Оба метода требуют формирования над донором, в котором измеряется состояние электронного спина, довольно сложных наноэлектрон-ных структур. Поэтому вряд ли эти структуры смогут конкурировать с относительно простыми одноэлектронными транзисторами.
Наконец, отметим еще одно предложение о использовании метода магнитно-резонансного силового микроскопа (MRFM) [5.26, 5.27], который позволяет в принципе измерять непосредственно состояние отдельного ядерного спина по механическому резонансу кантилевера с ферромагнитным зондом на конце. При воздействии периодической достаточно длинной последовательности радиочастотных 7г-импульсов возникает резонанс колебаний, детектируемый оптическими методами. С помощью импульсных воздействий можно также производить инициализацию состояний спинов, одно- и двухкубитовые операции. Если частота Раби, соответствующая операциям на ядерных спинах, порядка 100 кГц, то время измерения и выполнения однокубитовой операции должно быть порядка 10_5с. Измерения с помощью магнитно-резонансного силового микроскопа за такие короткие времена представляют определенные трудности.
При температуре Т ~ 0,1К и В ~ 2Тл отношение hw^/kT ~ 10-2, и, следовательно, ядерные спины в рассматриваемой системе поляризованы не полностью. Для исходной инициализации состояний ядер-
5.1. Полупроводниковый ЯМР квантовый компьютер (модель Кейна) 253
ных спинов, то есть для перевода спинов из возбужденных состояний в основные |1) => |0), помимо дальнейшего понижения температур на два порядка, может быть использован, предлагаемый в [5.1] известный в технике ЯМР-метод адиабатического быстрого прохождения или адиабатической инверсии. Этот метод заключается в том, что в процессе воздействии на находящийся в состоянии |1) ядерный спин радиочастотного поля с частотой о;, производится медленное (адиабатическое) по сравнению с скоростью резонансных переходов изменение внешнего поля и резонансной частоты ядерного спина uj\ = 71 В. Во вращающейся системе координат ядерный спин в этом случае будет следовать за эффективным полем Beff = В — (и/7i)k + b, прецессируя вокруг его направления. С прохождением условия резонанса ио — ио\ эффективное поле изменяет свою ориентацию относительно первоначального направления, а с ним изменяет свою ориентация и ядерный спин. Адиабатическое прохождение резонанса при этом должно быть быстрым по сравнению со скоростью декогерентизации спинового состояния. Условие адиабатически быстрого прохождения имеет вид [5.28]:
1 /Т2 < \duA/ndt\ < ft, (5.41)
где П — частота Раби.
Поскольку время релаксации ядерных спинов при низких температурах достаточно велико, то в результате ядерная спиновая система оказывается в неравновесном метастабильном поляризованном состоянии.
Обратим внимание на то, что прежде чем производить инициализацию указанным методом, необходимо путем индивидуальных измерений состояний ядерных спинов предварительно выявить спины, находящиеся в не основном состоянии. Поэтому рассмотренный способ инициализации является достаточно сложным.
К основным преимуществам кремниевого ЯМР квантового компьютера в варианте, предложенном Кейном можно отнести следующие:
1) методы современной нанотехнологии, а также успехи в выращивании кристаллов бесспинового кремния [5.29], открывают возможность получать необходимые структуры с очень большим числом кубитов (L ^ 106) и тем самым перейти от попыток демонстрации квантовых принципов на простейших спиновых системах органических молекул в жидкостях к созданию крупномасштабного многокубитного квантового компьютера;
254
Глава 5
2) в модели Кейна предполагается использовать гомоядерную систему ядерных спинов одинаковых доноров с индивидуальной настройкой резонансной частоты отдельных спинов-кубитов, индивидуальным измерением и инициализацией их состояний. Никаких специальных операций по выделению псевдочистых состояний в этом случае практически не требуется;
3) ядерные спины доноров хорошо изолированы от окружения и при низких температурах имеют времена спин-решеточной релаксации во много часов и большое время декогерентизации.
Однако можно указать и на ряд трудностей в осуществлении полупроводникового ЯМР квантового компьютера:
1) это прежде всего малый уровень сигнала, получаемого при индивидуальном обращении к спину отдельного атома. Измерение, инициализация кубитов при индивидуальном обращении требуют весьма тонких высокочувствительных устройств типа одноэлектронных транзисторов;
2) необходимость использования достаточно сложной системы электрических затворов для управления электронными состояниями доноров: настройки резонансных частот, измерений электронных состояний, выполнения двухкубитовых операций и инициализации состояний ядерных спинов;
3) электрические затворы А и J являются источниками шумов, в частности, так называемых 1//—шумов, являющихся дополнительными механизмами декогерентизации.
5.2. Полупроводниковый ЯМР квантовый