Сергей Доронин - Квантовая магия

Речь идет о твердотельном квантовом компьютере, где в качестве квантового процессора используются кристаллы гидроксиапатитакальция Ca 5(PO 4) 3OH, или его аналоги ( фторапатити др.). Эти монокристаллы считаются очень перспективными кандидатами [121]на роль физической основы твердотельного квантового компьютера, который можно реализовать методами ЯМР.

Природа, словно по заказу, создала материал, идеально подходящий для реализации квантового компьютера. Микроструктура кристалла представляет собой плоскости, перпендикулярные одномерным цепочкам протонов гидроксильных групп. Каждая цепочка окружена 6 аналогичными, и существенно то, что расстояние между отдельными «нитями» почти в три раза больше, чем расстояние между протонами в самой цепочке (рис. 9).Поскольку диполь-дипольное взаимодействие (ДДВ) ядерных спинов убывает с расстоянием как 1/ r 3, константа ДДВ между ближайшими ядрами в одной цепочке в десятки раз больше максимальной константы ДДВ спинов в соседних «нитях». Поэтому можно считать, что отдельные цепочки ядерных спинов слабо взаимодействуют между собой. В некотором приближении можно рассматривать структуру гидроксиапатитакак квазиодномерную(линейную). Это позволяет оперировать целыми плоскостями протонов так, как будто это одиночные линейно расположенные ядерные спины.

В одной из статей [122]предлагается создать твердотельный квантовый компьютер методами ЯМР на монокристалле гидроксиапатитакальция, помещенном в сильное магнитное поле, изменяющееся вдоль одной из осей монокристалла. В таком компьютере можно организовать согласованную работу очень большого числа кубитов.

Основные идеи, предложенные Э. Б. Фельдманом и С. Ласеллем, следующие:

1. Каждая плоскость монокристалла, перпендикулярная магнитному полю, является кубитом. Представление о количестве таких плоскостей дает тот факт, что кристалл гидроксиапатитакальция размером 3,5×9,5×9,5 см содержит 10 8плоскостей, каждая из которых имеет 10 16протонных ядерных спинов.

2. ДДВ ядерных спинов усредняются методами Ли-Гольдбурга. При этом ДДВ двух выбранных плоскостей (двух кубитов) восстанавливаются с помощью дополнительного селективного облучения монокристалла двумя высокочастотными (ВЧ) полями, перпендикулярными так называемому «магическому» для ДДВ направлению. ДДВ ядерных спинов в выбранных плоскостях усредняются многоимпульсными последовательностями.

3. Однокубитныеоперации (логическое НЕ) выполняются с использованием π -импульсов ВЧ поля.

4. Двухкубитныеоперации ( контролируемоеНЕ) выполняются с использованием ДДВ кубитов.

К сожалению, с технической точки зрения реализация этого варианта квантового компьютера пока не осуществима, поскольку здесь нужно уметь создавать сильные градиенты магнитного поля порядка 10 6Гаусс/см. В настоящее время технически достижимые градиенты — порядка 10 4Гаусс/см. Однако принципиальных запретов на получение полей с большим градиентом не существует, есть только технические трудности, которые со временем могут быть преодолены.

Интерес к гидроксиапатитукальция в качестве перспективной основы твердотельного квантового компьютера со стороны ЯМР-сообществавовсе не случаен — он вызван подходящей структурой его кристаллической решетки. В этом как раз и заключается основная проблема — найти соединение с подходящей структурой, и если бы все было так просто, то твердотельный квантовый компьютер был бы уже реализован. Я говорю сейчас о реализации методами ЯМР — при использовании других методов, естественно, будут свои требования к физической основе квантового компьютера.

В случае с гидроксиапатитомсущественно то, что монокристалл представляет собой параллельные плоскости, состоящие из протонов, и каждая такая плоскость может играть роль кубита. Таким образом, кубитомявляется не отдельный спин, а большое число ядерных спинов, лежащих в одной плоскости, и манипулировать ими становится гораздо легче, поскольку речь идет о макроскопических величинах. Другими словами — это вариант ансамблевого квантового компьютера, подобный тому, который реализован на сегодняшний день методами ЯМР в жидкостях. Проблема в том, что техническая реализация требует сильных градиентов внешнего магнитного поля, для того чтобы эти плоскости можно было отличать друг от друга и использовать для локальной адресации кубитов.

Не исключаю, что есть и другие кристаллы, которые, возможно, даже лучше подходят для этих целей. Я не специалист по кристаллам, и мне сложно судить об этом. В любом случае для этих целей хорошо бы иметь параллельные плоскости из ядер, обладающих магнитным моментом (протоны, фтор, фосфор, изотоп углерода 13C и т. д.). Считывание состояний этих плоскостей методами ЯМР не составляло бы проблем, если бы было приложено внешнее магнитное поле с достаточно сильным градиентом. Такой градиент позволил бы «раздвинуть» эти плоскости в частотном диапазоне, чтобы они не сливались, были индивидуально различимы и доступны для избирательного воздействия посредством селективных радиочастотных импульсов.

Еще недавно некоторые ученые выражали сожаление о том, что с наибольшей интенсивностью ведутся работы над квантовым процессором, а другим необходимым компонентам квантового компьютера исследователи уделяют гораздо меньше внимания. Звучали, например, такие слова [123]: «…Квантовые компьютеры не могут работать без сре дств хранения информации того или иного рода. Все трудятся над созданием процессоров, а проблему создания памяти решают считанные единицы». Это высказывание принадлежит Филиппу Хеммеруиз компании TexasA&M.

Квантовая информация может храниться не только в спиновых системах наподобие «изолятора Мотта», но и в виде отдельных фотонов. В самом деле, такие приложения, как квантовая криптография, используют фотоны в качестве носителей информации. Хранение световых импульсов в определенном месте принципиально важно для предполагаемых квантовых компьютеров. Г-н Хеммери его сотрудники продолжили работу исследователей из Гарварда. Последние пропускали лазерные импульсы через среду, становившуюся непрозрачной под действием излучения другого лазера. Этот трюк позволил снизить скорость, с которой импульс света проходил среду, буквально дочерепашьей. В некоторых случаях свет оставался на месте, ожидая возобновления подходящих условий для продолжения своего пути. Гарвардские ученые и их последователи использовали методику остановки света в газовой среде. Г-н Хеммерс сотрудниками стали первыми, кто осуществил остановку света в твердом веществе — кристаллесиликата иттрия, обогащенном атомами редкоземельного элемента празеодима. Поскольку большинство электронных компонентов представляют собой твердотельные устройства, этот метод может быть непосредственно использован при создании квантовых устрой ств хранения информации. Никто не может гарантировать безопасного прохождения информации через процессы записи и считывания. В любом случае «квантовая гонка» только начинается.