Квантовая магия - Доронин Сергей Иванович - Страница 57

Существует и много других интересных предложений, которые пока не реализованы. Одно из них мы рассмотрим подробнее, поскольку чуть дал

ее я у

кажу на интригующую связь этого варианта реализации квантового компьютера с

эзотерикой

, точнее, с возможной локализацией квантового компьютера в нашем головном мозге.

Речь идет о твердотельном квантовом компьютере, где в качестве квантового процессора используются кристаллы

гидроксиапатита

кальцияCa ₅(PO ₄) ₃OH, или его аналоги (

фторапатит

и 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

гидроксиапатита

как

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

гидроксиапатита

кальция, 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

гидроксиапатита

кальция 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.

Однокубитные

операции (логическое НЕ) выполняются с использованием

π

-

импульсов ВЧ поля.

4.

Двухкубитные

операции (

контролируемое

НЕ) 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

гидроксиапатиту

кальция в качестве перспективной основы твердотельного квантового компьютера со стороны

ЯМР-сообщества

вовсе 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

гидроксиапатитом

существенно то, что монокристалл представляет собой параллельные плоскости, состоящие из протонов, и каждая такая плоскость может играть роль кубита. Таким образом,

кубитом

является 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.

4.2. Квантовая память

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 хр

анения информации того или иного рода. Все трудятся над созданием процессоров, а проблему создания памяти решают считанные единицы». Это высказывание принадлежит Филиппу

Хеммеру

из компании

Texas

A&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

Хеммер

и 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

до

черепашьей. 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

Хеммер

с сотрудниками стали первыми, кто осуществил остановку света в твердом веществе —

кристалле

силиката 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 хр

анения информации. Никто не может гарантировать безопасного прохождения информации через процессы записи и считывания. В любом случае «квантовая гонка» только начинается.