Квантовая магия - Доронин Сергей Иванович (читать полностью бесплатно хорошие книги TXT) 📗

Сотрудники Университета

Рочестера

(США) продемонстрировали простой экспериментальный метод создания запутанных кубитов. Используя поперечный импульс и запутанность положения фотонов, испускаемых в процессе спонтанного параметрического преобразования (частоты) вниз (SPDC — spontaneous parametric down-conversion) [116], авторы получили запутанность между дискретными областями пространства, то есть пикселями. Каждый фотон отображался на 6 пикселей — каждый пиксель представлял один уровень состояния кубита. Этот метод легко обобщить для создания запутанных состояний более высокой размерности. Таким образом, возможна реализация процесса квантовой обработки информации в системах произвольно высокой размерности.

В этом эксперименте ультрафиолетовый лазерный луч направлялся на кристалл с нелинейными оптическими свойствами (

β

-борат бария), который спонтанно расщепляет ультрафиолетовый фотон на пару запутанных инфракрасных фотонов.

Рочестерская

команда фактически запутывает импульсы фотонов, это означает, что их положения в реальном месте (координаты), как показывает детектор, также запутаны.

Эти исследования демонстрируют, что фотоны могут занять любой из шести импульсов или пикселей (положений состояния). Хотя запутанные кубиты к настоящему времени получают самыми различными способами, авторы утверждают, что их метод привлекателен из-за сравнительной простоты в реализации. Как сказал руководитель группы сотрудникам редакции «

PhysicsWeb

» [117]: «Мы работаем с простой, имеющейся в наличии оптикой, без потребности в голограммах или интерференционной стабильности, как в предыдущих экспериментах». Теперь команда планирует продемонстрировать запутанность пикселей в квантово-криптографических системах. «Мы также хотели бы использовать наши идеи, чтобы создать

высокоразмерные

запутанные состояния, используя другие переменные, типа энергии и времени», — добавляет

О

’Салливан-Хэйл

.

Лабораторные эксперименты в области

квантового

компьютинга

все ближе подходят к реальным технологиям. Группа исследователей компании Хитачи, работающая в Кембриджском университете в Великобритании, в августе 2005 года сообщила [118]о разработке кремниевого

кубитного

чипа — первом шаге в развитии квантового компьютера, основанного на обычной кремниевой технологии.

Ранее кубиты уже создавались на основе арсенида галлия, но время декогеренции, в течение которого сохраняется когерентность состояния кубита, было очень малым. Ученые компании Хитачи продемонстрировали, что изолированная двойная квантовая точка (

наноскопическая

пространственная неоднородность), созданная на кремниевом кристалле, проявляет себя как

кубит

со временем декогеренции, в 100 раз большим, чем предыдущая реализация в арсениде галлия. Методика создания квантовых точек уже отработана и может быть использована в стандартных

КМОП-процессах

(CMOS,

complimentary

metal

oxide

semiconductor

— полупроводниковая технология, применяемая при изготовлении всех логических микросхем, включая микропроцессоры и

чипсеты

). Одного лишь создания кубита для построения квантового компьютера недостаточно, и кембриджская команда Хитачи произвела все базовые операции: инициализации; манипуляции — с помощью электронных

гейтов

; измерения — с использованием одноэлектронных транзисторов.

Предложенная схема обладает гибкостью, так как кубиты могут быть объединены в разнообразные двумерные цепи, как в обычных микропроцессорах.

Это дает возможность наращивать число кубитов до большой квантовой схемы, что необходимо для создания полноценного квантового компьютера.

В начале 2006 года ученые из Университета Мичигана (США) сообщили [119]о том, что для создания кубита им удалось воспользоваться технологией MEMS, которая сейчас все шире применяется в промышленном производстве.

Технология MEMS (

Micro-Electro-Mechanical-System

) позволяет формировать на поверхности подложки

микроэлектромеханические

структуры различного функционального назначения. По этой технологии изготавливаются интегральные акселерометры (датчики ускорения),

микромоторы

, селективные фильтры для биотехнологий и модуляторы света.

Микроэлектромеханические

системы создаются посредством комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общей кремниевой основе с использованием технологий

микропроизводства

. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия — микросхемы на кремниевой пластине, причем выпускать их можно сразу десятками или сотнями. При этом в основе лежит уже апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем.

В MEMS используют обычно два различных вида

микрообработки

: объемную и поверхностную. Объемная

микрообработка

включает технологию глубинного объемного травления. При использовании такого процесса объемная структура получается внутри подложки благодаря ее анизотропным свойствам, то есть различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемная структура может наращиваться, что и происходит, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне. При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура создается последовательным наложением основных тонких пленок и удалением вспомогательных слоев согласно требуемой топологии. Преимущество данной технологии заключается в возможности многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. Ее главная особенность в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для

микрообработки

используется обычный

КМОП-процесс

.

Так вот, ученые из Мичигана продемонстрировали, что ионные ловушки, которые сейчас широко используются в

квантовом

копьютинге

, можно создавать не вручную, а с использованием промышленной MEMS-технологии. Они создали ионную ловушку из четырех последовательных слоев

алюмогаллиевого

арсенида на подложке из арсенида галлия, используя молекулярно-лучевую эпитаксию. Ученые проделали отверстие в чипе и сформировали ряд консольных электродов с помощью методов, обычно применяемых при изготовлении

микроэлектромеханических

систем (MEMS). Они установили чип в вакуумное гнездо и через отверстие ввели газ атомов кадмия, используя импульсный лазер. Тщательно регулируя такие параметры, как напряжение электрода и длина волны лазера, ученые смогли получить в ловушке единственный ион ¹¹¹

Cd

⁺и научились управлять его квантовым состоянием. Авторы сообщают, что такие ловушки обладают высокой надежностью и обеспечивают высокий уровень контроля и манипулирования отдельными состояниями. Как они пишут, метод «предоставляет беспрецедентный контроль на уровне единственного атома». В качестве примера практического применения

упоминаются

прежде всего крупномасштабные квантовые процессоры, поскольку с помощью этого метода можно изготавливать большое количество кубитов.

Таким образом, научные исследования в сфере разработки квантового процессора уже вплотную подошли к промышленным технологиям.

К числу интересных, но пока нереализованных идей можно отнести предложение применять для квантовых вычислений так называемые квантовые проволоки и новейшие достижения

спинтроники

. Еще несколько лет назад ученые из Кембриджского университета предложили использовать распространение электронных волн по квантовым нитям для проведения квантовых вычислений. Для создания кубита использовали управляемое

туннелирование

волн из одного канала в другой, а для организации

двухкубитных

операций — кулоновское взаимодействие электронов, находящихся в соседних каналах. Сейчас предлагается [120]распространить эту идею на спины, поскольку время декогеренции спиновых степеней свободы гораздо выше. За это время электрон пролетает большие расстояния, а значит, сама структура будет крупнее и, следовательно, проще в изготовлении. Для осуществления универсальных квантовых

гейтов

(логических операций) здесь можно использовать обменное и спин-орбитальное взаимодействие кубитов. Инициализация и измерение могут быть

выполнены

любой спиновой инжекцией из/в ферромагнетиков (и) или с использованием спиновых фильтров и

мезоскопических

спин-поляризующих

светоделителей

.

Авторы (A.

E.

Popescu

, R.

Ionicioiu

) также оценивают пригодность различных материалов, используемых в настоящее время в

нанотехнологиях

, для физической реализации своей модели.