11. Преимущества и недостатки жидкостных ямр квантовых компьютеров.

КК на органической жидкости имеет следующие преимущества:

• Компьютер может работать при комнатной температуре.

• Для управления кубитами и измерения их состояния может быть использована техника ядерного магнитного резонанса (хорошо известная технология).

• Физической системой, представляющей кубиты, является макроскопический объем органической практически с независимыми молекулами жидкости, содержащей атомы с ядерными спинами, различающимися по резонансной частоте.

• Время декогерентизации квантовых состояний ядерных спинов в жидкости достаточно велико, может составлять несколько секунд.

Недостатком такого компьютера является доступность для измерения наблюдаемых состояний не отдельных ядерных спинов, а лишь средних по «ансамблю» значений. Для магнитных полей, используемых в стандартных ЯМР спектрометрах, относительная поляризация спинов, определяющая создаваемый сигнал, оказывается очень малой даже при гелиевых температурах. Число достаточно хорошо различимых ядерных спинов в молекуле ограничено, а интенсивность сигнала быстро падает с ростом числа кубитов.

12. Варианты исполнения твердотельных ямр квантовых компьютеров.

Косвенно отличный от ансамблевого жидкостного ЯМР КК вариант – твёрдотельный ЯМР КК, который может содержать хорошо изолированные ядерные спины кубитов, был предложен в 1998 году. Основой его является кремниевая структура МОП, где в тонкий поверхностный слой безспинового изотопа кремния внедряются донорные стабильные изотопы фосфора, замещающие атомы кремния в узлах кристаллической решетки, таике доноры обладают ядерными спинами со значением ½. Они не взаимодействуют с окружающими атомами кремния, но могут косвенно взаимодействовать с ядерными спинами соседних донорных атомов через сверхтонкое взаимодействие с электронами за счет частичного перекрытия электронных волновых функций. Ядерные структуры донорных атомов выбираются в качестве кубитов. Донорные атомы с ядерными спинами в полупроводниковой структуре предполагается расположить регулярным образом с достаточной точностью, каждый под своим управляющим металлическим затвором, изолированным слоем диэлектрика (например, окисью кремния, толщиной несколько нанометров). Затворы образуют решетку и служат для управления кубитами. Для исключения влияния переходов между различными электронами спиновых состояний, необходимо, чтобы электроны донорных атомов занимали только нижнее спиновое состояние в магнитном поле. Для этого можно использовать низкие температуры.

13. Полупроводниковый ямр квантовый компьютер с индивидуальным обращением к кубитам при низких температурах.

Для упрощения конструкции полупроводникового ЯМР КК желательно использовать более высокие температуры и менее сильные электронные поля. Такая возможность была рассмотрена Кейном. Для достижения практически полной поляризации электронных спинов при гелиевых температурах и меньших значениях внешнего магнитного поля, Кейн предложил использовать устройство, названное им «спиновым холодильником», который бы позволил создать с высокой степенью поляризации электронных спинов, что эквивалентно существенному снижению спиновой температуры по сравнению с температурой решётки. Такое неравновесное состояние будет сохраняться в течение времени, определяемым временем спин-решёточной релаксации электронов T1, которое при гелиевых температурах достаточно велико. Из таких холодильников можно было бы создать каскад, который позволил получать и поддерживать необходимую диэлектронную поляризацию даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Наиболее перспективными для применения квантовых компьютеров являются гетероструктуры на основе элементов четвёртой группы (например: Кремний, Si|Si[x]Ge[1-x]).

Ядерный и электронный спин донорного атома, находящегося в орбитальном состоянии, взаимодействует между собой посредством сверхтонкого и диполь-дипольного взаимодействий. Однако последнее просто усреднение по орбитальному электронному состоянию обращается в ноль и остаётся лишь сверхтонкое взаимодействие. Расстояние меду донорами l, а с ним и период полупроводниковой структуры, подбирается достаточно малым для того, чтобы постоянного эффективного обменного взаимодействия электронов двух соседних донорных атомов, обусловленного частичным перекрытием их электронных волновых функций в соответствующем направлении, имело значение наиболее чувствительное к воздействию на него полем затвора B.

Изменение электрического потенциала затвора В, расположенного между затворами А, позволяет перераспределяя электронную плотность между соседними донорными атомами, управлять степенью перекрытия волновых функций электронов, локализованных на соседних донорах и постоянной их обменного взаимодействия, а также постоянной скалярного взаимодействия косвенных спинов, включая и выключая эти взаимодействия в процессе выполнения вычислительных операций. Преимуществом такого подхода являются большие геометрические масштабы структуры. Кейном также был рассмотрен возможный вариант двухмерной архитектуры квантового компьютера, напоминающей архитектуру одноэлектронных приборов с зарядовой связью. В процессе выполнения квантовых операций над ядерными спинами, электронные спины должны сохранять своё состояние, т.е. их время спин-решёточной релаксации. Это указывает на необходимость использования низких температур. В этом случае при достаточно большом расстоянии между донорами, большее время релаксации ядерных спинов T[1],T[2] будут обеспечиваться лишь малыми по амплитуде флуктуациями локальных сверхтонких полей В диэлектриком при низких температурах эти поля определяются электрон-фотонными взаимодействиями. Известно, что индуцированные фотонами спин-решёточной времена релаксации ядерных спинов при гелиевых температурах превышают десять часов. Тепловые флуктуации на затворах А являются источником декогерентизации. Они могут существенно отличаться у разных затворов и это требует определённой калибровки напряжения на затворах. Декогерентизация может происходить, кроме того, благодаря неточностям логических операций над кубитами. Необходимый уровень неточности операции порядка 10^-4 трудно выполнить во всех твердотельных устройствах, где неизбежны флуктуации их свойств. Поскольку точная калибровка отдельных затворов в больших системах весьма затруднительна, Кейн предложил устойчивый к флуктуациям способ выполнения квантовых операций, основанный на использовании специальным образом видоизмененных форм импульсов, при которых действие радиочастотного импульса, в определённой полосе частот, не будет зависеть от точного значения резонансной частоты кубита, и поэтому низкочастотные флуктуации резонансной частоты, и в частности шумы, приводящие к её случайным сдвигам, не будут влиять на точность логических операций.

Измерение индивидуальных состояниях ядерных спинов - является одной из более важных проблем в полупроводниковых и ЯМР-квантовых компьютерах.

Предполагается производить измерения в два этапа:

1. Путём изменения величины обменного взаимодействия электронов с помощью электрического потенциала затвора В. Производится переход электронно-ядерной системы из одного состояния в другое с той е самой проекцией полного спина. Совершая тем самым передачу информации от ядерной-спиновой системе к электронной подсистеме. Таким образом определение состояния ядерного спина сводится к определению состояния электронного спина. Затем производится определение электронного состояния. Если энергия связи электрона с нейтральных донором больше, чем энергия притяжения к соседнему ионизированному донору, то электрон будет энергетически более выгоднее находится вблизи нейтрального донора, т.е. оба электрона в сингретном состоянии будут находится в окрестности одного из доноров. В результате произойдёт перенос заряда из одного донора на другой, что предполагается измерять с помощью высокочувствительных одноэлектронных ёмкостных методов. Следует отметить, что во время электрических измерений зарядового состояния донорного атома должно быть значительно меньше времени электронных спин решёточной релаксации, которое при низких температурах достигает тысячу секунд. Для выполнения таких измерений наиболее подходящими устройствами являются одноэлектронные транзисторы. Электрометр на основе одноэлектронного транзистора способен определить - находятся ли два электрона в сингретном или триплетном состоянии. Суммарный пин равен нулю - при синглетном. В одно сторону направлении спин и три уровня - это в триплетном. Если бы было нечётное состояние - то различают дуплетные (2 расщепления) и квартетные (4 расщепления). Для этого центральная квантовая точка т.е. одноэлектронный транзистор располагает непосредственно над предназначенным для измерения донорным атомом и отделён от кремния потенциальным барьером. Разность потенциалов между квантовой точкой и кремниевой подложкой выбирается достаточной для того, чтобы один из локализованных на доноре электронов смог переместиться к поверхности барьера на границе с кремнием. Это движение заряда будет изменять потенциал квантовой точки и вместе с этим проводимость одноэлектронного транзистора. Поскольку энергия связей синглетного и триплетного состояний донора различны, то детектирование движения заряда на примеси позволит определить спиновое состояние электронов. В качестве электрометра может быть также использован радиочастотный одноэлектронный транзистор или обычный наноэлектронный моб-транзистор.

Однако о попытках таких измерений - пока не сообщалось.

2. Другим способом измерения состояния отдельных электронных спинов является использование спинового фильтра, содержащего расположенную над донором квантовую точку с отдельным электронном, спиновое состояние которого зависит от электронного спинового состояния. Квантовая точка отделена от электронов потенциальными барьера из феромагнитного полупроводника. Намагниченность барьера создает в нём обменное расщепление зоны проводимости. Таким образом высота барьера различна для электронов квантовой точки с различной ориентацией спинов. Под действием напряжения происходит туннелировании электрона с одной определённой ориентацией, что регистрируется путём измерения тока. Ещё одним способом является использование отдельного электронного спина (его измерение). одноэлектронного турникета, представляющего собой структуру между собой туннельно связанный (из трёх маковых точек, центральной точкой, располагающейся над донорным атомом. Каждая точка имеет один квантовый уровень. Правая и левая точка туннельно связаны с электродами из магнитного материала. Электронные спины в электродах поляризованы. В начальный момент электроны отсутствуют во всех точках, затем к центральной точке прилагается импульс напряжения такой мощности, что уровни левой и центральной точки являются в резонансе и снижаются ниже уровня потенциала. Затем импульс напряжения той же длительности прикладывается к левой точке. Он поднимает её квантовый уровень химического потенциала левого электрода в результате электро(н/д)(?) возвращается в левый электрон. Электрон, оставшийся в центральной точке, взаимодействует с электроном донорного атома и переходит в состояние, зависящее от спинового состояния донорного атома. Детектирование состояния центральной точки производится путём измерения туннельного тока через правы электрод при приложении импульса напряжения центральной и правой квантовой точки. Вероятность появления импульсов токов в правом электроде будет зависеть от спинового состояния электронов центральной точки в данный момент времени. Поэтому приложенный способ измерения в отличии от других позволяет следить за динамикой спиновых состояний. Напряжение к левой и центральной точкам. Такой что электрон перешёл из центральной точки обратно в левый электрод с единичной вероятностью. После этого система вновь готова к измерению. Ещё одним способом является метод магнитно-резонансного силового микроскопа, который позволяет измерять непосредственно состояние отдельного ядерного спина по механическому резонансу, однако этот способ инициализации является достаточно сложным.

К основным преимуществам кремниевого ЯМР-квантового компьютера с индивидуальным обращением к кубитам - является:

1. Метод современной нанотехнологии, а также успехи в выращивании кристаллов бесспинового кремния, открывают возможность получать необходимые структуры с очень большим числом кубитов. Перейти к демонстрации квантовых принципов (наоборот от попыток) на простейшие спиновые системы органических молекул в жидкостях к созданию крупномасштабного кубитового квантового компьютера.

2. В модели Кейна предлагается использовать гомоядерную систему ядерных спинов одинаковых доноров с индивидуальной настройкой индивидуальной частоты отдельных спинов кубитов индивидуальным измерением и инициализации их состояний. Никаких специальных операций по выделению псевдочистых состояний не требуется

3. Ядерные спины доноров хорошо изолированы от окружения и при низких температурах имеют времена спинов решёточной релаксации во много часов и большое время декогерентизации.

Трудности в осуществлении ЯМР-компьютера с индивидуальным обращением к кубитам:

1) Малый уровень сигнала, получаемого при индивидуальном обращении к спинам отдельного атома. Поэтому измерение и инициализация кубитов при индивидуальном обращении требует весьма тонких чувствительных устройств типа одноэлектронный транзисторов

2) Необходимость использования достаточно сложных системы электрических затворов для управления электронными состояниями доноров. (Настройка резонансных частот, изменение электронных состояний, выполнение двух кубитовых операций и инициализация состояния ядерных спинов)

3) Являются источниками шумов - являющимися дополнительным источникам декогерентизации

Этот вариант квантового компьютера не смотря на трудности - несомненно заслуживает дальнейшей разработки.