Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
В эксперименте, выполненном в 1995 году группой из NISTa был реализован квантовый логический элемент «контроллируемое-НЕ» между внутренней двухуровневой системой иона ((g) и \е), бит-мишень) и его движением в ловушке (|п = 0) и \п = 1), управляющий бит); таким образом, было продемонстрировано, что возможно чтение из «регистра данных» гармонического движения [223]. Чтобы логический элемент функционировал, использовалась последовательность трех лазерных импульсов:
1. яУ2-импульс, генерирующий линейную суперпозицию |g) и \е).
2. 2;г-импульс для произвольного перехода синего сателлита, связывающего \е) и |аих) и вызывающий обусловленный фазовый сдвиг в |е)-части суперпозиции. Такой сателлит связывает только \е> и |аих>\ если движение характеризуется |п= 1), то фаза |е)-компоненты инвертируется.
3. В заключение, -л/2-импульс приводит к конструктивной или деструктивной интерференции одного из этих состояний, в зависимости от того, имел место обусловленный сдвиг фаз в |е)-компоненте или нет.
Для получения более наглядной картины можно представить всю последовательность этих операций также, как и при рамзеевских резонансных экспериментах. Пусть |g) - это исходное состояние, тогда первый л! 2-импульс создает суперпозицию |g) + \е). Затем, в зависимости от того выполняется ли п = 0 или нет, суперпозиция оставляется неизменной либо вводится фазовый сдвиг для возбужденной части ( т.е. |g) - \е), только при п - 1). Последний шаг - воздействие -я/2-импульса. Таким образом, в отсутствие фазового сдвига внутреннее состояние возвращается в |g), но если есть сдвиг фаз (п = 1), то состояние переключается в \е). Управляющий кубит остается без изменения в течение этого процесса. По такой схеме группой из NISTa была измерена таблица истинности для операции «контролируемое-НЕ», а также продемонстрированы когерентные свойства этого логического элемента (см. Рис.2 и 3 в [223]).
208 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
5.2.13 Сопоставление результатов и дальнейшие перспективы
В предыдущих разделах обсуждались эксперименты по квантовой информации и квантовым вычислениям на примере КЭР и ионов в ловушках. Несмотря на то, что КЭР и ионно-ловушечные эксперименты в основном описываются гамильтонианом типа Джейнса-Кам-мингса, т.е. характеризуются похожей динамикой, каждая методика имеет свои преимущества и недостатки.
Приготовление начального состояния осуществляется по стандартной методике микроволновой КЭР, т.к. основное состояние резонатора может быть достигнуто при криогенном охлаждении до температур 3Не. Генерация пучков долгоживущих циркулярных ридберговс-ких атомов, отобранных по скоростям, происходит при использовании стандартных инфракрасных лазеров и радиочастотных полей. При лазерном охлаждении ионов, в основном, используются источники света ультрафиолетового диапазона. В экспериментах по КЭР реализуется точное взаимодействие Джейнса-Каммингса, в то время как в экспериментах с ионными ловушками - лишь приближенное, т.е. в пределе малого значения параметра Лэмба-Дике. С другой стороны, связывание ионов в ловушках с осцилляторной модой дает больше свободы и может быть описано более широким классом функций, чем при точном взаимодействии Джейнса-Каммингса. Декогерентность атомов (ионов) практически пренебрежимо мала, как для ридберговских атомов, так и для сверхузких (метастабильных) состояний атомов. При рассмотрении моды гармонического осциллятора, источники потерь в сверхпроводящем резонаторе хорошо известны и поддаются моделированию. Единственный регулируемый параметр декогерентности - добротность резонатора - определяется независимо при помощи классических методов СВЧ-диапазона. Для ионов в ловушках источники колебательной декогернтности пока недостаточно изучены. Учет «фундаментальных» источников декогерентности, таких как затухание, индуцированное изображением заряда иона в структуре электродов или фоновые столкновения в газе, дает на порядок меньший нагрев, чем наблюдаемый в экспериментах [215, 218]. Такой «аномальный» нагрев будет исследоваться в дальнейшем и в конечном счете проблема будет решена, т.к. нет фундаментальных причин для ее существования.
Для выполнения операций, представляющих интерес для квантовых вычислений, необходимо манипулировать, по крайней мере, несколькими кубитами. При использовании существующих технологий КЭР-эксперименты с пучком циркулярных ридберговских атомов, пересекающих резонатор, оказываются весьма трудновыполнимыми для
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 209
последовательности из двух или трех атомов. Как уже обсуждалось выше, среднее число атомов за импульс должно быть существенно меньше единицы, чтобы избежать событий с участием двух атомов. Наложение во времени трех или четырех атомов происходит чрезвычайно редко и время накопления, таким образом, нарастает экспоненциально с ростом числа атомов. Этому ограничению не подвержены эксперименты с ионами в ловушках. Удержать несколько ионов в линейной ловушке сравнительно просто. Индивидуальная адресация к отдельным ионам при помощи жестко сфокусированных импульсных лазерных пучков вполне достижима. При сохранении охлажденным основного колебательного состояния, квантовые логические операции на нескольких кубитах представляются реализуемыми.
