|
Квантовые компьютеры на ионах в многозонных ловушках
Введение
Возможность
осуществлений базовых требований для квантового компьютера и квантовых
вычислений (одно- и многокубитовые элементы, большие времена декогеренции и
т.д.) были продемонстрированы в ходе многочисленных отдельных экспериментов для
ионов в ловушках. Конструирование полноценного процессора потребует синтез этих
элементов и применение высокоточных операций с использованием большого
количества кубитов.
В
1995 году Игнатио Цирак и Питер Золлер описали, каким образом ансамбль ионов в
ловушках может быть использован для создания квантовых информационных
процессов. Несколько экспериментальных групп по всему миру последовало за этой
идеей, и хотя полностью работоспособный образец так и не был создан, никто не
сомневается, что рано или поздно это произойдет.
Теоретически
схемы на ионных ловушках полностью удовлетворяет критериям ДиВинченцо:
Система
должна состоять из точного известного числа кубитов
Должна
существовать возможность приведения системы в точно известное начальное
состояние.
Большие
времена декогеренции
Реализация
системы контролируемых кубитов
Возможность
считывания конечного состояния кубита
В
данной работе мы рассмотрим примеры схем для большого числа кубитов, реализуемых
ионами в ловушках.
Архитектура
Один
из методов для построения квантового компьютера на ловушках для ионов состоит в
связывании ионов общим движением. Цепочка ионов электрически подвешена между
двумя рядами электродов. Благодаря тому, что ионы заряжены положительно и
отталкиваются друг от друга, любое движение, переданное одному иону лазером, распространяется
на всю цепочку. Также лазеры могут изменять пространственную ориентацию ионов, в
которой закодированы данные: например, поворачивая ион «вверх», мы передаем ему
значение «1», вращая его «вниз», мы передаем «0» (рис.1)
Рис.1
Если
положение крайнего иона «вверх», лазер «переключает» его и приводит в движение
всю цепочку.
Другой
лазер переключает ион на другом конце цепочки только в том случае, если он
находится в движении.
Затем
другой лазер переключает первый ион (и останавливает движение), если он (ион)
двигается.
Ионы
на обоих концах цепочки связаны и могут образовать логический элемент в
квантовых вычислениях.
Однако
увеличение систем до большего числа ионов, чем 15-20, представляется довольно
сложным. Чем длиннее цепочка ионов, тем более сложно ее контролировать, поскольку
коллективные моды колебаний интерферируют, цепочки «сворачиваются» и т.д.
Поэтому было предложено модифицировать систему таким образом, чтобы в ней было
лишь несколько довольно коротких цепочек, взаимодействующих друг с другом, например,
их части или отдельные ионы могли перемещаться, например, из «процессора» в
«память». (Рис. 2)
Рис.
3
Рассмотрим
данную схему подробнее.
Для
построения квантового компьютера с большим количеством кубитов используется
схема «квантового ПЗС», архитектура включает большое число пересекающихся
ионных зон. Изменяя напряжение в зоне, можно передвигать по ней несколько
ионов.
На
рис.3 показана диаграмма подобного устройства.
Рис.
3
Ионы
в ловушках, несущие квантовую информацию, удерживаются в зоне памяти. Для
выполнения логического элемента передвигаем выбранные ионы в зону пересечения
путем подачи определенного напряжения на электродные сегменты. В зоне
пересечения ионы группируются. Лазеры фокусируются сквозь зону для управления
получившимся элементом. Затем ионы двигаются вновь для выполнения следующей
операции.
Ловушки
и транспортные потенциалы можно организовать комбинированием радиочастотных и
квазистатических электрических полей. Рис. 3 показывает только электроды, которые
поддерживают квазистатические поля. Варьируя напряжения на этих электродах, мы
отправляем ионы в определенный регион или транспортируем их вдоль зоны. Два
других слоя электродов располагаются под и над первыми электродами. Применение
радиочастотных электродов создает квадрупольное поле. (Рис. 4)
Рис.
4
Такая
геометрия позволяет сделать транспорт ионов стабильным и позволяет создавать
комплексные, сложные многозонные структуры.
Управление
Цель
рассматриваемой архитектуры кроме всего прочего – минимизировать требования к
управлению лазерным лучом, переключениям так сильно, как это возможно, используя
контроль над потенциалами, применяемыми к ионам в многотизонной ловушке.
В
данной архитектуре логические операции можно разделить на два простых шага:
А)
Ионы-носители квантовой информации располагаются в определенной
пространственной комбинации в ловушках, пока лазерные лучи выключены.
B)
Все лазеры включаются одновременно, затем отдельные кубиты или их пары
транспортируются сквозь лазерные лучи для осуществления однокубитовых вращений,
двухкубитовых элементов и измерений. Наконец, лазерные лучи одновременно выключаются.
Шаги
A) и B) выполняются, чередуясь, до тех пор, пока вычисления не будут закончены.
(Рис. 5)
Рис.
5
Практика
За
несколько прошедших лет группы исследователей продемонстрировали первые
работающие схемы на ионах в мультизонных ловушках. Группа из Университета
Мичигана изготовила двузонную ловушку с GaAs-ми электродами и ионами Cd.
Исследователи из NIST реализовали новую схему, в которой ионы располагаются над
плоской поверхностью с электродами. На таких схемах были построены модели с
ионами Sr и Mg.
Типичные
зонные расстояния в опытах были таковы, что удаленность от ионов до ближайшего
электрода составляла 150 мкм, а среднее время выполнения операции составляло
200 мкс (для минимального нагрева). В дальнейшем следует искать схемы и
материалы для реализации минимального нагрева при уменьшении пространственных
размеров образцов. Опыт показал, что уменьшение размеров системы ведет к
нагреву ионов от стохастического электродного шума. Пока механизм такого эффекта
до конца не выявлен. |
