Квантовий процесор

Найбільші зусилля і засоби в даний час направлені на створення квантового процесора, і тут досягнуті значні успіхи. При його розробці необхідно, перш за все, вибрати фізичну систему, фізичну основу процесора, яка б відповідала наступним вимогам:

· Фізична система, що є квантовим процесором, повинна містити значне число (N > 100) добре розпізнаваних кубітів для виконання відповідних квантових операцій;

· Необхідно забезпечити умову для приготування вхідної комірки пам’яті (регістра) у вихідному основному базисному стані. Тобто повинна існувати досить легка можливість ініціалізації (обнуління) регістра і переведення кубітів, що реалізовуються, в початковий стан;

· Необхідно обмежити процес спонтанної зміни квантових станів, обумовлений взаємодією системи кубітів з навколишнім середовищем, що приводить до руйнування суперпозицій квантових станів і робить неможливим виконання квантових алгоритмів. Цей час повинен, принаймні, в раз перевищувати час виконання основних квантових операцій (час такту). Для цього система кубітів повинна досить слабко взаємодіяти з оточенням;

· Необхідно забезпечити за час такту виконання необхідної сукупності квантових логічних операцій, що визначає унітарне перетворення. Річ у тому, що будь-яку математичну операцію, як арифметичну (додавання, віднімання, множення, ділення і т. д.), так і логічну („і”, „або” і т. д.), можна звести до обмеженого числа логічних операцій. З них основні всього лише три: операція CNOT (контрольоване НЕ, Controlled NOT, аналог виключаючого АБО в класичних комп’ютерах) — це двокубітна операція, а також дві однокубітні операції — операція НЕ і перетворення Адамара. Вміючи виконувати ці операції над кубітами, можна реалізувати будь-яку програму для квантового комп’ютера;

· Необхідно вміти впливати на кожен кубіт окремо, а також мати можливість виміряти стан квантової системи на виході, тобто при отриманні результату. Одним словом, вибір фізичної основи квантового процесора має бути узгоджений з досить простим пристроєм введення-виведення інформації.

В даний час ведуться роботи над наступними основними варіантами фізичної основи (елементної бази) квантового процесора:

1. Використання в якості квантового процесора посудини з органічною рідиною, де кубітами є ядра окремих атомів із спінами 1/2, пов’язаних непрямими спін-спіновими взаємодіями (розчин хлороформу ¹³СНСl₃ в дейтерієвому ацетоні (CD₃)₂CO або 2,3-дибромотиофен SCH:(CBr)₂:CH). Органічна рідина в пробірці поводиться як одна молекула цієї речовини, точніше, всі молекули поводяться однаково в тих взаємодіях, які необхідні. Таким чином з’являється можливість застосувати до макроскопічних об’ємів рідини відпрацьованих методик і техніки ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Індивідуальне звернення до окремих кубітів замінюється одночасним зверненням до відповідних кубітів одночасно у всіх молекулах великого ансамблю. Логічні операції над кубітами (за допомогою радіочастотних імпульсів) і виведення результату здійснюється стандартними методами ЯМР. Комп’ютер такого роду отримав назву ансамблевого (bulk-ensemble quantum computer) квантового комп’ютера. Він може працювати і при кімнатній температурі. Час самовільної зміни квантових станів ядер внаслідок взаємодії з навколишнім середовищем у такої системи складає декілька секунд, що достатньо для проведення обчислювальних операцій. В даний час реалізовано семикубітний процесор на основі органічних рідин.

Проте, не дивлячись на всі переваги квантового процесора в „пробірці”, його потенціал практично вичерпаний, оскільки вимірюваний на виході сигнал експоненціально зменшується із зростанням числа кубітів. Оцінки показують, що граничним значенням, коли ще можна щось виміряти, є 10–13 кубітів. Але, окрім цього технічного, існують і чисто фізичні обмеження. Річ у тому, що непряма спін-спінова взаємодія, необхідна для організації основних логічних операцій, сама по собі дуже слабка. В результаті час виконання логічних операцій виявляється надзвичайно великим, а створюваний комп’ютер має невелику швидкодію. В цьому випадку перспективнішими виявляються твердотільні квантові комп’ютери на основі ЯМР. Молекула такого комп’ютера показана на рис. 8.3.

Для твердотільного ЯМР квантового комп’ютера можна вказати на ряд важливих переваг:

· Ядерні спини самі по собі є кубітами.

· При низьких температурах вони характеризуються дуже великими часом релаксації в порівнянні з електронними спінами.

· Технологічні структури нанометрового масштабу в напівпровідникових ЯМР квантових комп’ютерах призначаються не для створення самих кубітів, як у випадку надпровідникових пристроїв, а лише для завдань управління кубітами і вимірювання їх станів.

· Диполь-дипольна взаємодія ядерних спінів в декілька тисяч разів більша за непряму спін-спінову взаємодію.

Рис. 8.3. Молекула, створена на фірмі ІВМ, з 5 атомів фтору і 2 атомів вуглецю працює як 7 - кубітний регістр. Атоми можуть знаходитися в станах „спін вверх” і „спін вниз”. Управління спінами здійснюється за допомогою радіочастотних імпульсів.

2. Використання в якості кубітів рівнів енергії іонів, захоплених іонними пастками, що створюються у вакуумі змінним електричним полем певної конфігурації в умовах лазерного охолоджування пасток до температур в декілька мікрокельвінів (див. рис. 8.4). Взаємодія між зарядженими іонами в одновимірному ланцюжку цих пасток здійснюється за допомогою збудження їх колективного руху, а індивідуальне управління ними — за допомогою лазерів інфрачервоного діапазону.

Рис. 8.4. Іонна пастка як квантовий процесор. У лінійній структурі завдяки взаємному відштовхуванню іони знаходяться на відстані ~20мкм. Кожен іон адресується парою лазерних променів і є кубітом.

Основними недоліками цього типу квантових комп’ютерів є необхідність створення наднизьких температур, забезпечення стійкості станів іонів в ланцюжку, а також обмеженість можливого числа кубітів значенням N < 40. На сьогоднішній день встановлений практично повний контроль над квантовим станом одиничного іона в пастці, і увага експериментаторів перемкнулася на системи з декількох іонів з добре контрольованими взаємодіями між ними.

Дія квантових логічних схем базується в даному випадку на квантовій сплутаності внутрішніх ступенів свободи іонів (електронні збудження) і колективного руху (коливального збудження) замкнутих в пастці іонів.

3. Використання як кубітів зарядових станів куперівських пар в квантових точках. Слід знати, що одним з головних кандидатів на роль кубіта вважається квантова точка – обмежений фрагмент напівпровідникового матеріалу, який настільки малий, що в ньому можуть існувати квантові ефекти. Ці елементи містять єдиний додатковий електрон, що і дає можливість зберігати цілі лінійні послідовності з логічного „0” або „1”. Історично першими квантовими точками були мікрокристали селеніду кадмію CdSe. Електрон в такому мікрокристалі поводить себе як електрон в тривимірній потенціальній ямі.

Подібні квантові точки дуже нестабільні – щонайменші коливання магнітного поля, що випромінюється атомним ядром, можуть змусити кубіт втратити збережені дані. Пов’язано це з тим, що в більшості відповідних напівпровідникових матеріалів (наприклад, арсеніті іридію) відбувається дуже сильна взаємодія вільних електронів з атомами речовини. Термін життя інформації в кубіті не перевищував декількох мільярдних часток секунди.

Цього можна уникнути використовуючи лазерне випромінювання. Лазерним променем можна заблокувати вплив зовнішніх магнітних полів на квантову точку. Його дія заставляє електрон підніматися на вищий енергетичний рівень, залишаючи після себе позитивно заряджену „дірку”.

„Дірка” володіє власним магнітним полем, яке врівноважує дію ядра атома і дозволяє зберігати систему надалі без якогось або зовнішнього впливу. У лазерному промені вдалося стабілізувати магнітне поле кубіта і продовжити його стабільний стан в середньому в тисячу разів.

Передбачається, що перспективність цього напряму полягає в можливості створювати електронні квантові пристрої високого ступеню інтеграції на одному кристалі, при цьому для управління кубітами не будуть потрібні громіздкі лазерні або ЯМР-установки.

4. У напівпровідникових кристалах безспінового моноізотопного кристалу кремнію , в якому атоми фосфору (кубіти) розташовані в лінійному ланцюжку (модель Кейна) на деякій відстані (близько 20нм) від ізолятора (див. рис. 8.5).

Рис. 8.5. Схематичне зображення чотирьох комірок Кейна в кремнієвій матриці з ядерними спінами-кубітами донорних атомів фосфору. При температурах менших 1К ядерні спіни мають дуже великий час (години і дні) збереження вихідних квантових станів.

Автори дослідження використовували кремній з домішками атомів фосфору. Вчені сплутували спіни домішкових атомів фосфору і електронів. Значення спінів ядер атомів і електронів виступали в ролі кубітів.

Кожний донорний атом з ядерним спіном - кубіт в напівпровідниковій структурі розміщувався регулярним чином з достатньою точністю під “своїм” управляючим металевим затвором (затвор A), відокремленим від поверхні кремнію тонким діелектриком (наприклад, окислом кремнію завтовшки порядку декількох нанометрів). Ці затвори утворюють лінійні решітки довільної довжини з періодом ( =20нм).

За допомогою електричного поля, що створюється потенціалом затворів A, можна змінювати розподіл електронної щільності поблизу ядра в основному стані змінюючи, відповідно, резонансну частоту кожного ядерного спіну, яка визначається надтонкою взаємодією його з електронним спіном. Це дозволяє здійснювати індивідуальне управління квантовими операціями шляхом селективної дії резонансних радіочастотних імпульсів на ядерні спіни певних донорів.

Величиною непрямої взаємодії між ядерними спінами сусідніх донорів, яка забезпечує виконання двокубітних операцій, пропонується управляти за допомогою затворів J, розташованих між затворами A. Це можливо, якщо характерні розміри напівпровідникової структури знаходяться в нанометровій області.

Охолодивши кремній з домішками фосфору до температури 3К і піддавши його дії радіо- та мікровипромінювання, вчені досягнули сплутування 10 мільярдів кубітів. Було підтверджено стан сплутаності з надійністю до 98 відсотків.

Розвиток цього напряму, що визнається надзвичайно перспективним, визначається швидкістю розвитку нанотехнологічних розробок, необхідних для створення структур з потрібними параметрами.

Крім вище означених і реалізованих існує також низка перспективних ідей:

1. Двомірний електронний кристал в потенціальній пастці (ямі) поблизу поверхні рідкого гелію.

2. Двомірна атомна решітка в оптичній пастці, утвореній стоячою хвилею інтерферуючих лазерних пучків.

3. Аніони в двомірному електронному газі в напівпровідниках в умовах дробового квантового ефекту Холла.

4. Квантові клітинні автомати у феромагнітних (антиферомагнітних) структурах в кристалах.