Принципы квантовых вычислений

Возможные пути реализации кубитов

На сегодня предложены и экспериментально проверены уже десятки вариантов физической реализации кубитов. Естественными кубитами сами по себе являются ядра атомов, имеющих не нулевой полуцелый спин, в простейшем случае – спин ½. Такими являются, например, ядро водорода , ядра изотопа углерода , фтора , фосфора и т.д. Во внешнем магнитном поле собственный магнитный момент таких ядер в "базовых" состояниях ориентируется в направлении силовых линий этого поля или в противоположном направлении. Измерения классическими приборами всегда дают или тот, или другой результат. Их обозначают "" (спин вверх) и "" (спин вниз) или и . Хотя на самом деле ядро такого атома чаще всего находится в одном из "гибридных" состояний, которое описывается волновой функцией (8.5).

Квантовым регистром из тысяч кубитов, в принципе, могла бы быть уже небольшая нанотрубка из атомов изотопа углерода длиной до 10 нм. Но большой, пока что непреодолимой, проблемой является точная, нацеленная "адресация" к отдельным ядрам с целью записи и считывания их квантового состояния и для управления квантовыми логическими операциями. Такая точная адресация к отдельным атомам УНТ современной технике еще не по силам. Поэтому квантовые вычисления на ядерных спинах пробуют реализовать сейчас в других вариантах. Одним из них является использование молекул, в состав которых входят атомы разных элементов с полуцелым спином ядра ( рис. 8.5).

Рис. 8.5. Пример молекулы, в состав которой входят ядра атомов с полуцелым спином, которые можно использовать как кубиты

"Спиновые" кубиты на разных ядрах или даже на одинаковых ядрах, но по-разному химически связанных в молекуле, имеют разные резонансные частоты. Благодаря этому для адресной записи данных в такие кубиты, для выполнения квантовых логических операций над ними и для считывания из них информации можно использовать короткие сверхвысокочастотные радиоимпульсы разной частоты и хорошо развитые методики исследований ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Детальнее мы рассмотрим это в следующей лекции.

На ансамблях порядка 10 таких кубитов уже экспериментально испытаны, например, квантовая телепортация, работа квантового алгоритма Гровера, квантовое преобразование Фурье и т.д. Однако число подобных спиновых кубитов с достаточно различающимися резонансными частотами практически не удается сделать больше, чем несколько десятков.

Интересным вариантом реализации кубитов является использование особенностей состояния электронов в "квантовых точках". Электроны в таких "точках" могут находиться лишь в дискретных энергетических состояниях с расстояниями между уровнями энергии порядка , где – размер "квантовой точки", – эффективная масса электрона в ней. Наиболее низкое ("основное") состояние электрона в такой квантовой точке можно принять за , а ближайший возбужденный знергетический уровень с достаточно продолжительным "временем жизни" – за . Переходы из одного энергетического состояния в другое могут происходить путем поглощения или излучения кванта света соответствующей энергии и частоты, а взаимодействие между квантовыми точками можно организовать посредством электрического поля или через обменное "спин-спиновое" взаимодействие электронов.

Как кубиты могут быть использованы и отдельные ионы или атомы, локализованные в определенных местах с помощью специальной конфигурации системы электродов и создаваемого ими электрического поля или с помощью т.н. "оптической решетки", возникающей в результате интерференции лазерных пучков света. Если такие ионы-кубиты выстроить на небольших расстояниях в цепочку, то в ней можно возбуждать коллективные механические (ультразвуковые) колебания, которые ведут к возникновению сплетенных состояний и предоставляют возможность управлять их эволюцией. "Записывать" и "считывать" информацию с таких кубитов можно с помощью точно направленных импульсов резонансного лазерного излучения.

В качестве кубитов могут рассматриваться также и отдельные кванты электромагнитного поля – фотоны видимого или инфракрасного света, импульсы ультракоротких радиоволн, кванты акустических волн. Базовыми состояниями фотонов могут быть взаимно ортогональные направления их поляризации, противоположные фазы колебаний и т.п. Для того, чтобы локализовать фотоны и иметь возможность индивидуально адресоваться к ним, кванты электромагнитного поля "замыкают" в соответствующих оптических или сверхвысокочастотных резонаторах, волноводах, электродинамических полостях.

Разрабатываются и исследуются также много других "экзотических" вариантов, среди которых, например, разные "моды" акустических колебаний, отдельные электроны, локализованные в жидком сверхтекучем гелии, и т.п. В следующих лекциях мы ознакомим вас лишь с наиболее "продвинутыми" вариантами физической реализации квантовых процессоров.