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 мо

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать