Квантовая магия - Доронин Сергей Иванович - Страница 53

На первый взгляд, достижения скромные, однако не стоит забывать, что Nкубитов заменяет 2 ^N обычных битов, то есть зависимость здесь экспоненциальная — добавление одного кубита увеличивает возможности квантового компьютера в два раза. Если 7 кубитов — это всего лишь 128 классических битов, то, например, 30 кубитов — уже 10 ⁹классических единиц информации, а 100 кубитов заменят 10 ³⁰обычных битов — просто гигантское число. На сайте

Los

Alamos

National

Laboratory

(LANL) [104]можно прочитать, что 30-кубитный квантовый компьютер был бы, по грубым прикидкам, эквивалентен обычному компьютеру, выполняющему 10 триллионов операций в секунду. Такое быстродействие сопоставимо с производительностью самых мощных суперкомпьютеров, состоящих из тысяч процессоров.

Однако, несмотря на все преимущества квантового процессора в «пробирке», его потенциал практически исчерпан, поскольку измеряемый на выходе сигнал экспоненциально убывает с ростом числа кубитов. Оценки показывают, что предельным значением, когда еще можно что-то измерить, является 10–13 кубитов. Но, кроме этого технического, существуют и чисто физические ограничения. Дело в том, что косвенные спин-спиновые взаимодействия, необходимые для организации основных логических операций, сами по себе очень слабые. В результате время выполнения логических операций оказывается чрезвычайно большим, а создаваемый компьютер имеет небольшое быстродействие. В этом случае более перспективными оказываются твердотельные квантовые компьютеры на основе ЯМР, поскольку

диполь-дипольные

взаимодействия ядерных спинов

в

несколько

тысяч

раз превосходят косвенные спин-спиновые взаимодействия. Мы рассмотрим этот случай чуть ниже. А пока назовем другие экспериментальные реализации квантового компьютера.

● Использование в качестве кубитов уровней энерг

ии ио

нов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях их лазерного охлаждения до

микрокельвиновых

температур. Взаимодействие между заряженными ионами в одномерной цепочке этих ловушек осуществляется посредством возбуждения их коллективного движения, а индивидуальное управление ими — с помощью лазеров инфракрасного диапазона. Первый прототип квантового компьютера, соответствующий этим принципам, был предложен австрийскими физиками И.

Цираком

и П.

Цоллером

в 1995 году. В настоящее время интенсивные экспериментальные работы ведутся в LANL и в Национальном Институте стандартов и технологии (

National

Institute

of

Standards

and

Technology

— NIST) в США. Преимущество такого подхода заключается в сравнительно простом индивидуальном управлении

отдельными

кубитами. Основными же недостатками этого типа квантовых компьютеров являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояний ионов в цепочке, а также ограниченность возможного числа кубитов значением N< 40. На сегодняшний день установлен практически полный контроль над квантовым состоянием единичного иона в ловушке, и внимание экспериментаторов переключилось на системы из нескольких ионов с хорошо контролируемыми взаимодействиями между ними. Действие квантовых логических схем основано в данном случае на квантовой запутанности внутренних степеней свободы ионов (электронные возбуждения) и коллективного движения (колебательного возбуждения) запертых в ловушке ионов.

● Использование в качестве кубитов зарядовых состояний

куперовских

парв квантовых точках [105], связанных переходами

Джозефсона

, предложенное Д. В.

Авериным

в 1998 году. Первый твердотельный

кубит

на 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

Мадисоне

создали первую в мире симуляцию архитектуры квантового компьютера, применив кремниевую технологию изготовления. Эта архитектура, в которой используется горизонтальное и вертикальное

туннелирование

через 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.,

Dotsenko

I.,

Khudaverdyan

M.,

Miroshnichenko

Y.,

Rauschenbeutel

A., and

Meschede

D., Phys. Rev.

Lett

. 93, 150501 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/1004/n211004.html;

Achermann

M.,

Petruska

M. A.,

Kos

S., Smith D. L.,

Koleske

D. D.,

Klimov

V. I., Nature 429, 642 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/0804/n260804.html;

Elzerman

J. M., Hanson R.,

Willems

van

Beveren

L. H.,

Witkamp

B.,

Vandersypen

L. M. K.,

Kouwenhoven

L. 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

моноизотопного

кристалла 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

нанотехнологических

разработок, 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

фотонным

и обратно (

атом-фотонный

квантовый интерфейс).