Сергей Доронин - Квантовая магия

● Использование в качестве кубитов зарядовых состояний куперовскихпар в квантовых точках [105], связанных переходами Джозефсона, предложенное Д. В. Аверинымв 1998 году. Первый твердотельный кубитна основе этих принципов был создан в NEC Fund. Res. Lab. в Японии в 1999 году. Предполагается, что перспективность этого направления заключается в возможности создавать электронные квантовые устройства высокой степени интеграции на одном кристалле, при этом для управления кубитами не потребуются громоздкие лазерные или ЯМР-установки. Однако создание квантовых компьютеров по-прежнему сопряжено со многими трудностями — не решенным остается ряд важных проблем, в частности, устойчивости состояний кубитов и декогеренции.

● В 2002 году появилось сообщение [106], что исследователи из Висконсинского Университета в Мадисонесоздали первую в мире симуляцию архитектуры квантового компьютера, применив кремниевую технологию изготовления. Эта архитектура, в которой используется горизонтальное и вертикальное туннелированиечерез двойные верхние и нижние ворота, занимает на чипе 50 кв. нанометров. Группа исследователей пришла к выводу, что современное оборудование для кремниевого производства пригодно и для производства квантовых чипов, хотя они пока работают со скоростью 1 МГц из-за больших требований к импульсному генератору. В качестве квантового бита были выбраны направления спина электрона 1 — вверх, 0 — вниз. В ходе эксперимента проведены простейшие вычисления, для чего было объединено несколько квантовых точек. Однако для того, чтобы производить действительно «полезные» вычисления, в компьютер понадобится добавить еще около 1 миллиона квантовых точек.

Подробное описание (со схемами, рисунками и пояснениями) некоторых наиболее ярких экспериментальных работ, опубликованных в Nature и других ведущих журналах, можно прочитать на русском языке на сайте S cientific. ru:

Schrader D., DotsenkoI., KhudaverdyanM., MiroshnichenkoY., RauschenbeutelA., and MeschedeD., Phys. Rev. Lett. 93, 150501 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/1004/n211004.html;

AchermannM., PetruskaM. A., KosS., Smith D. L., KoleskeD. D., KlimovV. I., Nature 429, 642 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/0804/n260804.html;

ElzermanJ. M., Hanson R., Willemsvan BeverenL. H., WitkampB., VandersypenL. M. K., KouwenhovenL. P., Nature, 431, 431 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/0904/n030904.html.

В начале 2005 года в журнале «Успехи физических наук» (УФН) была опубликована большая обзорная статья академика К. А. Валиева «Квантовые компьютеры и квантовые вычисления», УФН 175(1), 3 (2005), в которой упоминаются следующие основные направления реализации квантовых вычислений (помимо ЯМР):

1. На ионах в одномерном ионном кристалле в ловушке Пауля.

2. В полупроводниковых кристаллах бесспинового моноизотопногокристалла кремния 28 Si, в котором атомы фосфора 31Р (кубиты) расположены в линейной цепочке (модель Кейна). Темп развития этого направления, признаваемого всеми весьма перспективным, определяется темпом нанотехнологическихразработок, необходимых для создания структур с нужными параметрами.

3. Кубиты на электронах в полупроводниковых квантовых точках. В качестве кубитов исследуются орбитальные или спиновые состояния одиночного электрона в квантовой точке.

4. Кубиты на сверхпроводниковых мезоструктурах. Здесь существуют два варианта: в первом — квантовая информация кодируется числом сверхпроводящих пар в квантовой точке, во втором — направлением сверхпроводящего тока в сквиде.

5. На одиночных атомах в микрорезонаторах. Двухуровневая система ( атом-кубит), связанная с осциллятором-фотоном в одной из мод колебаний резонатора. Этот метод предполагается использовать при разработке способов транспортировки атомных и фотонных кубитов, а также при передаче квантовой информации от атомных кубитов к фотонными обратно ( атом-фотонныйквантовый интерфейс).

6. С помощью линейных оптических элементов (оптический квантовый компьютер).

Все эти методы в той или иной мере уже реализованы экспериментально.

Есть также ряд перспективных идей:

1. Двумерный электронный кристалл в потенциальной ловушке (яме) вблизи поверхности жидкого гелия.

2. Двумерная решетка атомов в оптической ловушке, образованной стоячей волной интерферирующих лазерных пучков.

3. Анионы в двумерном электронном газе в полупроводниках в условиях дробного квантового эффекта Холла.

4. Квантовые клеточные автоматы в ферромагнитных (антиферромагнитных) структурах в кристаллах.

К наиболее существенным достижениям последнего времени можно отнести результаты двух экспериментальных работ в этой области, одновременно опубликованные в Nature(1 декабря 2005 года) [107]. Двум конкурирующим командам физиков из США и Австрии почти одновременно удалось запутать рекордное число индивидуальных частиц. Дитрих Лейбфридс коллегами из NIST в Колорадо запутали 6 ионов бериллия, в то время как Гартмут Хеффнерс сотрудниками из университета Инсбрука — 8 ионов кальция.

В первой статье сообщается о реализации cat -состояния четырех-, пяти- и шестиатомных кубитов. Пространство состояний каждого кубита определено двумя сверхтонкими основными состояниями иона бериллия. Cat -состояние соответствует запутанной равновесной суперпозиции всех атомов в одном сверхтонком состоянии и одновременно всех атомов в другом сверхтонком состоянии.Это состояние типа 1/√2(|000000ñ + |111111ñ). Для наглядности это можно представить так, что все ионы вращаются одновременно и по часовой стрелке, и против нее. В этих экспериментах cat -состояния приготавливались в процессе трех последовательных шагов независимо от числа запутанных атомов.

Во второй статье речь идет об экспериментальной реализации четырех-, пяти-, шести-, семи- и восьми запутанных частиц в состояния типа W в ионных ловушках. Авторы демонстрируют, как получить максимально возможную информацию об этих состояниях, выполняя полное определение параметров посредством так называемой томографии состояния [108], используя индивидуальный контроль и детектирован ие ионов. Детальный анализ подтверждает, что запутанность является подлинной. Возможность приготовления таких многочастичныхзапутанных состояний вместе с полной информацией в форме матрицы плотности создает испытательный полигон для более глубоких теоретических исследований многочастичнойзапутанности.

Интересно, что в обеих статьях речь идет о реализации двух различных типов максимально запутанного состояния. Если в первой говорится о cat -состояниях, частным случаем которых являются хорошо известные ГХЦ-состояния( GHZ — Greenberger-Horne- Zeilinger [109]) для трех частиц, то во второй работе — о так называемых W -состояниях. Это суперпозиционное состояние типа |00…01ñ + |00…10ñ+… + |01…00ñ + |10…00ñ с равными весами, то есть когда есть одна единичка, а все остальные — нули, либо симметричное ему состояние: один нуль, остальные — единички. Мне встречалась версия, согласно которой свое название « W -состояния» они получили по имени Wolfgang (W. D ür), это обозначение было введено в статье [110].