Поиски путей реализации квантовых компьютеров

Перечислим направления поиска с краткими комментариями.

Метод ядерного магнитного резонанса в жидкостях при комнатной температуре дал возможность демонстрации экспериментального выполнения основных квантовых алгоритмов и методов коррекции ошибок с использованием до семи кубитов в ансамблевом квантовом компьютере. Однако после установления факта, что число кубитов в ЯМР - квантовом компьютере в жидкостях при комнатной температуре ограничено числом порядка 10, усилия по развитию этого направления, по-видимому, ослабли.

Вариант квантового компьютера на ионах в ловушке Пауля также имеет серьёзные препятствия к увеличению числа кубитов (ионов в одномерном кристалле) из-за их неустойчивости. Эти ограничения могут быть преодолены, если работать со многими ловушками, но необходимо разработать методы быстрой транспортировки ионов из одной ловушки в другую (за время сравнимое со временем квантовых операций). Принципиальная возможность такой транспортировки показана.

Сходная с ионными кристаллами архитектура расположения кубитов может быть реализована в полупроводниковых кристаллах бесспинового моноизотопного кремния ²⁸Si, в котором атомы фосфора ³¹P (кубиты) расположены в линейной цепочке (модель Кейна). Кубитом служит ядерный (I=1/2) или электронный (S=1/2) спин атома фосфора ³¹P. Число кубитов в такой архитектуре не ограничено. Темп развития этого перспективного направления определяется состоянием нанотехнологических разработок. Трудным здесь является измерение состояния одиночного спинового кубита. Проблема может быть, по-видимому, облегчена ансамблевым вариантом кубита, по Валиеву[68].

Рассмотрим строение ячейки предлагаемого двухкубитового квантового компьютера. На кремниевой подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается буферный слой твердого раствора Si/Ge, на котором последовательно размещается еще пять рабочих слоев, состав и толщина которых определяются необходимой энергетической диаграммой (левая часть рисунка) и требованиями эффективного воздействия управляющих затворов. Основными слоями, в которых происходят квантовые вычисления, являются слои D₂ (второй донорный слой) и «настроечный» (tuning) слой T. В слое D₂ размещаются атомы 31P на расстоянии 2000  друг от друга. Связанные с этими атомами электроны и выполняют роль кубитов. Слои D₂ и T отличаются составом и поэтому имеют разный g-фактор: для слоя D он составляет 1,995, а для слоя T – 1, 563. Слои D₂ и T заключены между двумя барьерными слоями B, которые ограничивают перемещение электрона в вертикальном направлении. Это ограничение определяется разрывом зоны проводимости между слоями D₂ и B и T и B, которые равны 20 мэВ. Ограничение барьером

 

 

Рис. 15.6. Строение ячейки электронного спинового резонанса, состоящей из двух кубитов: а – энергетический профиль гетероструктуры Ge_1-xSi_x; и – поперечный разрез двухкубитовой ячейки

 

играет важную роль. Оно сохраняет кубитные донорные электроны в течение долгого времени, не допуская потерь как носителей, так и квантовой информации. Для этого толщина барьера составляет порядка 200 , при этом время жизни сравнимо со временем спин-решеточной релаксации T₁ (около 1ч). Оба слоя толщиной 400  согласуются с пределом, ограниченным напряжениями (1000  для x=0,23). Слои D и T имеют толщину, сравнимую с вертикальным Боровским радиусом, и вносят слабый вклад в возникающие напряжения. Очень важно, что между слоями D₂ и T разрыв зон равен нулю, так что нет препятствий для перемещения электрона из слоя D₂ в слой T. В слое D₁ (первый донорный слой) перпендикулярно плоскости рисунка размещены каналы МДП-транзисторов, которые служат для регистрации сигнала в конце вычислений и пространственно расположены под атомами фосфора.

В настоящее время активно работают над созданием кубитов на электронах в квантовых точках. В качестве кубитовых исследуются орбитальные или спиновые состояния одиночного электрона в квантовой точке. В этом методе число кубитов (квантовых точек с одиночным электроном) также не ограничено.

Изготовлены и исследованы кубиты на сверхпроводниковых мезоструктурах. Здесь созданы два варианта кубитов: в первом варианте квантовая информация кодируется числом сверхпроводящих пар в квантовой точке, во втором – направлением сверхпроводящего тока в сквиде. Для изготовления структур кубитов используется технологический арсенал микроэлектроники. Число кубитов на чипе в принципе не ограничено. В данном направлении наблюдается большая активность экспериментаторов и постоянный прогресс.

Ведутся работы в направлении создания оптического квантового компьютера на основе линейных оптических элементов. Перечисленные направления опираются на развитые с иными целями технологии (технологии построения стандартов времени, микроэлектронные, квантово-оптические технологии). Другие перспективные идеи:

1) двумерный электронный кристалл вблизи поверхности жидкого гелия (физика этих кристаллов хорошо изучена, в качестве кубитов могут служить спины одиночных электронов);

2) двумерная решетка атомов в оптической ловушке, образованной стоячей волной интерферирующих лазерных пучков;

3) анионы в двумерном электронном газе в полупроводниках в условиях дробного квантового эффекта Холла;

4) квантовые клеточные автоматы в ферромагнитных (и антиферромагнитных) структурах и кристаллах.

Мечта или реальность?

В настоящее время идет разработка фундаментальных проблем для выбора основного пути развития. Скорее всего, вначале придется пойти по нескольким путям и потом сделать выбор. Пока диапазон мнений в отношении перспектив достаточно широк. Высказываются и критические замечания. Вот основные.

1. Квантовый компьютер не нужен, т.к. под него нет задач. За все время найдены только два эффективных квантовых алгоритма (Шора и Гровера). Не стоит делать квантовый компьютер только ради взлома популярной криптосистемы RSA: ко времени его создания она сама перестанет существовать.

2. Квантовый компьютер – аналоговая машина трудная в реализации.

3. Природа не избрала квантовый метод вычислений – в мозгу нет квантовых операций.

 

16. Нейронные сети и нейрокомпьютеры