Новости науки 20.03.02. Квантовый компьютер на основе природного кристалла.

Над проблемой создания квантового компьютера работает множество исследовательских групп во всем мире. Очень интересное предложение было высказано недавно учеными из Лундского университета: по их мнению, можно создать ансамблевый квантовый компьютер на основе обычных природных кристаллов, легированных ионами редкоземельных металлов.

Возможность создания квантового компьютера основывается на том факте, что в квантовой механике состояние системы в общем случае есть суперпозиция базисных состояний. Базовый элемент квантового компьютера - кубит (квантовый бит) - в простейшем случае представляет собой квантовую систему с двумя базисными состояниями (|0> и |1>) . Одна из главных задач на сегодняшний день - поиск оптимальной"элементной базы" для квантовых компьютеров.

Шведские ученые предлагают создать квантовый компьютер на основе обычных кристаллов, легированных редкоземельными ионами [1]. Кристалл облучают определенной комбинацией оптических импульсов, а результат квантовых вычислений считывают фотодетекторами. Такой компьютер может работать и при комнатной температуре. В этом варианте отметаются все технологические сложности, характерные для большинства ранее предлагаемых затейливых конструкций твердотельных квантовых компьютеров. Таковы, по крайней мере, ожидания авторов. Им даже удалось продемонстрировать на эксперименте формирование одного кубита. По инерции, идущей от классических компьютеров, считается, что изготовление (или даже "придумка") одного кубита уже решают все дело. Но это далеко не так в области квантовых компьютеров. Попытки реализовать все предложенные на сегодняшний день конструкции квантовых компьютеров упираются в то, что современными технологическими приемами невозможно добиться реализации двухкубитных операций (которые необходимы для реализации логических блоков). К сожалению, похоже, что и с идеей шведских ученых произойдет та же история. Но об этом ниже.

Авторы провели эксперимент на кристалле Y₂SiO₅, легированный ионами Eu³⁺. В этих ионах спин ядра равен 5/2. Внешняя электронная оболочка 4f⁶ хорошо экранирует от кристаллического поля. Основное состояние внешних электронов ⁷F₀ расщеплено на три из-за сверхтонкого взаимодействия электронов с ядром. Эти состояния |1>, |0> и |aux> соответствуют различным значениям проекции спина ядра - плюс-минус 1/2, 3/2, 5/2. Два первых состояния (с энергетическим зазором между ними 30 и 76 МГц) выбираются в качестве базовых состояний кубита. И неслучайно - их время релаксации составляет часы и даже дни при комнатной температуре.

Однако из-за малого энергетического зазора все три состояния при комнатной температуре заполнены одинаково. Для инициализации компьютера все кубиты должны быть приведены в какое-то определенное состояние. Чтобы это осуществить, можно использовать известный из нелинейной оптики эффект спектрального выжигания дырок (spectral-hole burning). Он состоит в том, что при достаточной мощности излучения выравниваются заселенности верхнего и нижнего состояний в резонансном переходе, при этом поглощение излучения в среде резко падает. В спектре поглощения на резонансных частотах появляется глубокий провал, называемый дыркой.

Перегнать электрон с уровня |0> на уровень |1> через возбужденное состояние можно следующим образом. Частота резонансного перехода электрона с состояния |1> на верхний возбужденный уровень (⁵D₀) составляет 516000 ГГц (длина волны 560 нм, оптический диапазон). Подавая излучение умеренной интенсивности на частоте перехода |0> - возбужденный уровень, мы загоняем электрон на возбужденный уровень. Одновременная подача мощного излучения на резонансной частоте"возбужденный уровень - |1>" вызывает индуцированный переход электрона на этот уровень.

Как теперь сформировать ансамблевые кубиты, т.е. группы ионов, выполняющие роль одного кубита? Однородное уширение линии перехода на возбужденный уровень, определяемое временем жизни на этом уровне, составляет примерно 1кГц. А вот неоднородное уширение (разброс резонансных частот, вызванный различным положением ионов в кристаллической решетке) гораздо больше √ 10 ГГц. Если резонансные переходы осуществлять в спектральной полосе 1 кГц, то все ионы в кристалле можно разбить на 10 Ггц/1 кГц = 10⁷ групп (кубитов) с отдельной адресацией. В действительности, можно ограничиться гораздо меньшим количеством кубитов, расширяя полосу, например, тысячей кубитов, тогда один кубит будет охватывать гораздо большее число ионов. Это важно для считывания конечного результата вычислений. В эксперименте авторы продемонстрировали возможность создания одного ансамблевого кубита. Эксперимент довольно тонкий, подробности можно посмотреть в статье [1].

Взаимодействие ансамблевых кубитов, необходимое для проведения двухкубитных операций, может быть обеспечено динамическим диполь-дипольным взаимодействием между ионами. Статического дипольного момента ионы не имеют, но динамический момент возникает во время перехода электрона между двумя состояниями. К сожалению, диполь-дипольное взаимодействие очень сильно зависит от расстояния r между ионами (порядка 1/r³), а они хаотически разбросаны по кристаллу. Если одна пара ионов из двух ансамблевых кубитов и правильно "провзаимодействует", то взаимодействие других пар может быть или совершенно недостаточным, или слишком сильным. Можно ли для квантовых вычислений использовать среднее состояние ансамбля ионов при огромном разбросе состояний отдельных ионов? Интуитивно кажется, что нет. По всей видимости, это и есть как раз тот самый подводный камень, который мы извлекли наружу. Об него вполне может разбиться вся предлагаемая затея.

Что же касается самого диполь-дипольного взаимодействия, то оно достаточно сильное и хорошо наблюдается на эксперименте. Именно с ним связывают уширение линии поглощения при увеличении интенсивности излучения, вызывающего динамический дипольный момент.

перейти к началу страницы