Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
[6.23] Imamoglu A., Fwschalom D.D., Burkard G., DiVincezo D.P., Loss D., Sherwin М., Small A. Quantum Information Processing Using Electron Spin and Cavity-QED // 1999, LANL, E-print, quant-ph/9904096, 6 p.
[6.24] Shahriar M.S., Hemmer P.R., Lloyd S., Dowers J. A., Craig A.E. Solid State Quantum Computing Using Spectral Holes // 2000, LANL, E-print, arXiv: quant-ph/0007014, 13 p.
[6.25] Reina L.H., Quiroga L., Johnson N. F. An NMR-based Nanostructure Switch for Quantum Logic // Phys. Rev., 2000, v. B62, pp. 2267-2269.
[6.26] Reina L.H., Quiroga L., Johnson N. F. Quantum Information Processing in Semiconductor Nanostructures // 2000, LANL, E-print, arXivrquant-ph/0009035, 27 p.
[6.27] Troiani F., Hohenester U., Molinari E. Exploiting Exiton-Exiton Interactions in Semiconductor Quantum Dots for Quantum-Informat ion Processing // 2000, LANL, E-print, arXiv: quant-ph/0005064, 4 p.
[6.28] Quiroga L., Johnson N. F. Entangled Bell and GHZ States of Exitons in Coupled Quantum Dots // Phys. Rev. Lett. 1999, v. 83, pp. 2270.
Глава 7
КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ НА СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
«Лучшим каждому кажется то, к чему он имеет охоту.»
Козьма Прутков
7.1. Основные типы сверхпроводниковых кубитов
Сверхпроводящее состояние является макроскопическим квантовым состоянием, аналогичным чистым квантовым состояниям в простейших квантовых системах. Качественное отличие сверхпроводников состоит в том, что в этом состоянии образуется бозе-конденсат из макроскопически большого числа куперовских пар электронов.
Обращение к сверхпроводниковым элементам с целью использования их в качестве кубитов связано, главным образом, с надеждой на то, что в этом случае удастся исключить использование таких сложных и громоздких вспомогательных устройств, как лазеры, СВЧ-генераторы, мощные магниты и т.п., и создать квантовый компьютер, управляемый только электрическими импульсами. Кроме того, проявление квантовых свойств в сверхпроводниковых устройствах макроскопических размеров делает их привлекательными и с точки зрения создания масштабируемых квантовых схем: режим когерентной квантовой динамики в них может быть достигнут уже на макроскопических элементах микрометровых масштабов, не требующих для своего изготовления высокоточной нанотехнологии. Это позволило бы уже при современном уровне развития технологии создавать сверхпроводниковые интегральные схемы высокой степени интеграции, подобные полупроводниковым интегральным схемам и дало бы сверхпроводниковым квантовым элементам существенные преимущества при создании полномасштабных квантовых компьютеров по сравнению с любыми другими вариантами.
7.1. Основные типы сверхпроводниковых кубитов 327
7.1.1. Кубиты на зарядовых состояниях куперовских пар в сверхпроводниковых островках
Квантовая динамика сверхпроводниковых устройств определяется не коммутирующими между собой сопряженными величинами — фазой макроскопической волновой функции в и оператором числа куперовских пар в конденсате п = —i-jL ([0,п] = г), которые не могут
ив
контролироваться одновременно. Отсюда следуют два различных режима управления и наблюдения этой динамики: либо фазовый, либо зарядовый.
Были предложены два различных типа устройств с использованием физических явлений в сверхпроводниках для создания кубитов и организации квантовых вычислений. Их детальный анализ был выполнен в [7.1, 7.2].
В одном из них в качестве двух состояний кубита предлагается использовать два различных зарядовых состояния куперовских пар в сверхпроводниковых островках нанометрового масштаба (superconducting island, single-Cooper-pair box), связанных с внешней схемой переходами Джозефсона (В. Josephson) малой емкости. Такая схема была рассмотрена Д. Авериным [7.3] и группой авторов в работе [7.4]. Затем она развивалась в [7.5-7.7]. О первой экспериментальной попытке реализации сверхпроводникового кубита на сверхпроводнико-вом островке сообщалось в работе [7.8].
Схема простейшего варианта идеального сверхпроводникового кубита изображена на рис. 7.1 [7.5]. Кубит состоит из маленького сверхпроводящего островка (гг), связанного со сверхпроводящим электродом L (или другим островком) туннельным переходом, характеризуемого емкостью Cj и джозефсоновской энергией связи Ej. Внешнее напряжение V воздействует на систему через емкость затвора С.
Сверхпроводниковый островок с переходом Джозефсона является искусственной твердотельной структурой, обладающей макроскопиче-кими квантовыми свойствами. К основным свойствам, используемым для создания сверхпроводникового кубита, относятся следующие:
1) Макроскопическое число электронов в островке (этим он отличается от одноэлектронной квантовой точки) при температурах ниже некоторой температуры, которая для достаточно малых островков может быть на порядок меньше температуры сверхпроводящего перехода [7.5], образует куперовские пары. Иначе говоря, электроны конденсируются
