Файл: деп_тукс_10_11.doc

Первые результаты уже достигнуты. В первом эксперименте удалось воспроизвести фразу приветствия компьютера HAL из знаменитой «Космической Одиссеи 2001 года» Артура Кларка («Good afternoon, gentlemen. I am a HAL 9000 computer. I became operational at the H. A. L. lab in Urbana, Illinois, on the 12th of January»). По словам исследователей, полученные ими в результате расчетов данные демонстрируют, что звуковые сигналы, сохраненные в квантовой памяти, могут свободно распознаваться настоящими квантовыми компьютерами.

Как говорит Д. Шепелянский, 50-кубитный квантовый компьютер способен вместить в себя информацию, превосходящую по объему ту, что хранят сейчас все современные суперкомпьютеры вместе взятые.

Объясняя теорию кодирования звука в квантовых компьютерах, Д. Шепелянский отметил, что сгенерированный ими голос HAL состоял из 18 кубитов и являл собой «волновую функцию квантового компьютера, которая была „записана“ в память квантового регистра, сформированного кубитами».

Разработанный группой Шепелянского метод «квантового преобразования Фурье» очень близок по принципу своего действия к кодированию обычного формата mp3 — «быстрому преобразованию Фурье». Ученым удалось произвести числовое моделирование этого процесса, что позволило получить оптимальный алгоритм декодирования зашифрованного звукового сигнала в квантовой технике и соответственно добиться оптимального звучания восстановленного сигнала.

Лабораторные эксперименты в области квантовых вычислений все ближе подходят к реальным технологиям. Группа исследователей компании Хитачи, работающая в Кембриджском университете в Великобритании, в августе 2005 года сообщила (http://www.hitachi.com/New/cnews/050819.html) 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. Специалисты компании Хитачи продемонстрировали, что изолированная двойная квантовая точка, 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 группа 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 ("Stick D., Hensinger W. K., Olmschenk S., Madsen M. J., Schwab K. and Monroe C. Ion trap in a semiconductor chip, Nature Physics 2, 36, 2006") сообщили о том, что для создания кубита им удалось воспользоваться технологией MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System), которая сейчас все шире применяется в промышленном производстве.

Эта технология позволяет формировать на поверхности подложки микроэлектромеханические структуры различного функционального назначения. По этой технологии изготавливаются интегральные акселерометры, 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.

Ученые из Мичигана продемонстрировали, что ионные ловушки, которые сейчас широко используются в квантовых вычислениях, 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 ¹¹¹Cd⁺ 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 ( Popescu A. E. and Ionicioiu R. Phys. Rev. B 69, 2004) 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 также оценивают пригодность различных материалов, используемых в настоящее время в нанотехнологиях, для физической реализации своей модели.

Существует и много других интересных предложений, которые пока не реализованы. Твердотельный квантовый компьютер следует рассмотреть подробнее с связи с гипотетической локализацией квантового компьютера в нашем головном мозге. Здесь в качестве квантового процессора используются кристаллы гидроксиапатита кальция Ca₅(PO₄)₃OH, или его аналоги (фторапатит и др.). Эти монокристаллы считаются очень перспективными кандидатами (Ladd T. D., Goldman J. R., Dana A., Yamaguchi F. and Yamamoto Y. arXive e-print quant-ph/0009122, 2001; http://xxx.itep.ru/abs/quant-ph/0009122) на роль физической основы твердотельного квантового компьютера, который можно реализовать методами ЯМР.

Этот материал идеально подходит 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. 7.4). Поскольку диполь-дипольное взаимодействие (ДДВ) ядерных спинов убывает с расстоянием как 1/r³, 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 статье "Fel’dman E. B., Lacelle S. Perspectives on a Solid State NMR Quantum Computer, arXiv.org:quant-ph/0108106, (2001); http://xxx.itep.ru/abs/quant-ph/0108106". 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.

Рис. 7.4. Кристаллическая структура гидроксиапатита кальция. Черными точками обозначено расположение протонов. Кубитами являются плоскости монокристалла, состоящие из протонов, перпендикулярные внешнему магнитному полю.

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 10⁸ плоскостей, каждая из которых имеет 10¹⁶ протонных 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 10⁶ гс/см. В настоящее время технически достижимые градиенты — порядка 10⁴ гс/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. 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.