Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
Альтернативные подходы. Имея в виду те потенциальные проблемы, которые были перечислены выше, некоторые исследователи начали думать о принципиально новых подходах при построении квантовых компьютеров на системах с ЯМР. До сих пор ни одна из таких идей не была продемонстрирована; все они имеют мало общего с «традиционными» квантовыми компьютерами.
Одна общая особенность большинства таких умозрительных схем
240 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
состоит в использовании твердых тел вместо жидкостей. Это имеет много существенных следствий, важных при исследовании ЯМР, причем как полезных, так и не очень. Индивидуальные молекулы в твердых образцах будут оставаться приблизительно в стационарных состояниях и поэтому для селективного возбуждения отдельных спинов, в принципе, могла бы использоваться техника пространственной локализации. Большая длина волны ВЧ излучения препятствует прямому доступу, но методы, развитые для получения ЯМР-изображе-ний2 [270], действительно позволяют проводить пространственную дискриминацию спинов. При таком подходе, однако, будет трудно достигнуть атомного разрешения, отчасти из-за трудностей при получении достаточно сильных градиентов поля, а также из-за низкой чувствительности ЯМР, непозволяющей непосредственно детектировать отдельные спины [270]. Расчеты показывают, что предельное разрешение должно составлять 1 мкм, поэтому придется использовать кластеры спинов, а не отдельные ядра.
Второе следствие продвижения в сторону твердотельных структур состоит в значительном изменении вида гамильтониана ЯМР, так как анизотропные взаимодействия здесь больше не усредняются. В частности, прямые диполь-дипольные связи между спинами дают наибольший вклад в спин-спиновое взаимодействие. Такие связи гораздо сильнее, чем скалярное взаимодействие и позволяют реализовывать более быстрые ЛЭ, но имеют тот недостаток, что каждый спин связан со всеми остальными близлежащими спинами. Все это создает трудности при использовании таких взаимодействий в селективных способах, необходимых для работы ЛЭ, и кроме того, может приводить к быстрой декогерентности.
Кейн [271] недавно сформулировал весьма оригинальный подход, позволяющий решить эти проблемы, комбинируя твердотельный ЯМР с традиционной технологией, применяемой при изготовлении кремниевых микросхем. Этот подход предусматривает использование атомов 31Р в кремниевой матрице с электростатическими ЛЭ, как для контроля за возбуждением отдельных спинов, так и для модуляции взаимодействий между ними. Детектирование отдельного спина могло бы быть осуществлено при использовании ядерного спина для контроля за процессом переноса единичного электрона. Хотя это предложение сильно опережает возможности существующих технологий, похоже, что многие требования, которые к нему предъявляются, будут выполнены в течение следующих десяти лет.
2 Т.н. ЯМР-томография (Прим. переводчика).
Эксперименты по ядерному магнитному резонансу 241
5.4.7 Перепутывание и смешанные состояния
Недавно была высказана мысль о том, что ЯМР вообще не может рассматриваться в качестве квантово-механического метода! Когда выносится такой вердикт необходимо помнить, что термин «квантово-механический» используется здесь в смысле «проявляющий неклассические свойства». ЯМР-эксперименты проводятся при высоких температурах (кТ имеет большое значение, по сравнению с расщеплением между уровнями), матрица плотности, описывающая систему ядерных спинов, всегда близка к максимально смешанному состоянию, а такие состояния всегда могут быть представлены [272] в виде смеси независимых состояний (т.е. состояний, не содержащих перепутывания между различными ядрами). Так как ЯМР-состояния представляются без привлечения перепутывания, они могли бы быть описаны классическими моделями (хотя такие классические модели будут очень сложными). Однако, хотя классические модели и могут привлекаться для описания отдельного ЯМР-состояния, непонятно как такие модели будут описывать эволюцию состояния во время ЯМР-эксперимента [273]. Мотивировка таких заключений остается спорной и непонятной.
5.4.8 Следующие несколько лет
Метод ЯМР дает наиболее мощную технологию для реализаций квантовых компьютеров, доступных в настоящее время и, возможно, будет оставаться таковой в ближайшие годы. Несколько небольших квантовых компьютеров на ЯМР уже были построены, на их основе реализованы квантовые алгоритмы.
В последующие несколько лет кажется вероятным, что квантовые компьютеры на ЯМР с тремя - пятью кубитами станут тривиальными и что исследоваться будут все более сложные системы. Однако, без кардинальных изменений в имеющихся подходах, вряд ли будут сконструированы ЯМР-системы, состоящие более чем из десяти кубитов. Такие подходы, как твердотельный ЯМР-компьютер Кейна, в будущем обещают очень много.
Квантовые сети и многочастичное перепутывание
6.1 Введение
В предыдущих главах были рассмотрены основные концепции квантового перепутывания. В настоящей главе мы обсудим более детально несколько вопросов, связанных с квантовым перепутыванием. В разделе 6.2. рассматривается схема по установлению перепутывания между атомами и пространственно разнесенными узлами, посредством обмена фотонами. С помощью такого метода может быть построена квантовая сеть, объединяющая в себе достоинства систем заряженных атомов (ионов), характеризующихся большими временами хранения и возможностью осуществлять локальный доступ к квантовым состояниям, с преимуществами квантовой оптики, основанными на быстром и надежном обмене информацией на больших расстояниях.
