Время декогеренции квантовых состояний ядерных спинов в жидкости достаточно велико и может составлять несколько секунд. Именно при использовании этой элементной базы в настоящее время достигнут самый значительный успех в практической реализации квантовых вычислений. Лидером здесь является группа Исаака
Чуанга
. В 1998 году впервые в мире ею создан 2- кубитный квантовый компьютер; в 1999 году — 3-кубитный, который с использованием алгоритма Гровера
совершал поиск в базе данных; в 2000 году — 5-кубитный. Последнее достижение этой группы — 7-кубитный квантовый компьютер[103]. 7 кубитов оказалось достаточно, чтобы на практике осуществить реализацию квантового алгоритма П. Шора
по разложению на простые множители числа 15, были получены 3 и 5.На первый взгляд, достижения скромные, однако не стоит забывать, что N кубитов заменяет 2N обычных битов, то есть зависимость здесь экспоненциальная — добавление одного кубита увеличивает возможности квантового компьютера в два раза. Если 7 кубитов — это всего лишь 128 классических битов, то, например, 30 кубитов — уже 109 классических единиц информации, а 100 кубитов заменят 1030 обычных битов — просто гигантское число. На сайте
Los
Alamos
National
Laboratory
(LANL)[104] можно прочитать, что 30-кубитный квантовый компьютер был бы, по грубым прикидкам, эквивалентен обычному компьютеру, выполняющему 10 триллионов операций в секунду. Такое быстродействие сопоставимо с производительностью самых мощных суперкомпьютеров, состоящих из тысяч процессоров. Однако, несмотря на все преимущества квантового процессора в «пробирке», его потенциал практически исчерпан, поскольку измеряемый на выходе сигнал экспоненциально убывает с ростом числа кубитов. Оценки показывают, что предельным значением, когда еще можно что-то измерить, является 10–13 кубитов. Но, кроме этого технического, существуют и чисто физические ограничения. Дело в том, что косвенные спин-спиновые взаимодействия, необходимые для организации основных логических операций, сами по себе очень слабые. В результате время выполнения логических операций оказывается чрезвычайно большим, а создаваемый компьютер имеет небольшое быстродействие. В этом случае более перспективными оказываются твердотельные квантовые компьютеры на основе ЯМР, поскольку
диполь-дипольные
взаимодействия ядерных спинов в
несколько тысяч
раз превосходят косвенные спин-спиновые взаимодействия. Мы рассмотрим этот случай чуть ниже. А пока назовем другие экспериментальные реализации квантового компьютера. ? Использование в качестве кубитов уровней энергионными ловушками , создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях их лазерного охлаждения до N < 40. На сегодняшний день установлен практически полный контроль над квантовым состоянием единичного иона в ловушке, и внимание экспериментаторов переключилось на системы из нескольких ионов с хорошо контролируемыми взаимодействиями между ними. Действие квантовых логических схем основано в данном случае на квантовой запутанности внутренних степеней свободы ионов (электронные возбуждения) и коллективного движения (колебательного возбуждения) запертых в ловушке ионов.
ии ио
нов, захваченных микрокельвиновых
температур. Взаимодействие между заряженными ионами в одномерной цепочке этих ловушек осуществляется посредством возбуждения их коллективного движения, а индивидуальное управление ими — с помощью лазеров инфракрасного диапазона. Первый прототип квантового компьютера, соответствующий этим принципам, был предложен австрийскими физиками И. Цираком
и П. Цоллером
в 1995 году. В настоящее время интенсивные экспериментальные работы ведутся в LANL и в Национальном Институте стандартов и технологии (National
Institute
of
Standards
and
Technology
— NIST) в США. Преимущество такого подхода заключается в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными
кубитами. Основными же недостатками этого типа квантовых компьютеров являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояний ионов в цепочке, а также ограниченность возможного числа кубитов значением ? Использование в качестве кубитов зарядовых состояний в квантовых точках [105], связанных переходами
куперовских
пар Джозефсона
, предложенное Д. В. Авериным
в 1998 году. Первый твердотельный кубит
на основе этих принципов был создан в NEC Fund
. Res
. Lab
. в Японии в 1999 году. Предполагается, что перспективность этого направления заключается в возможности создавать электронные квантовые устройства высокой степени интеграции на одном кристалле, при этом для управления кубитами не потребуются громоздкие лазерные или ЯМР-установки
. Однако создание квантовых компьютеров по-прежнему сопряжено со многими трудностями — не решенным остается ряд важных проблем, в частности, устойчивости состояний кубитов и декогеренции. ? В 2002 году появилось сообщение[106], что исследователи из Висконсинского Университета в
Мадисоне
создали первую в мире симуляцию архитектуры квантового компьютера, применив кремниевую технологию изготовления. Эта архитектура, в которой используется горизонтальное и вертикальное туннелирование
через двойные верхние и нижние ворота, занимает на чипе 50 кв. нанометров. Группа исследователей пришла к выводу, что современное оборудование для кремниевого производства пригодно и для производства квантовых чипов, хотя они пока работают со скоростью 1 МГц из-за больших требований к импульсному генератору. В качестве квантового бита были выбраны направления спина электрона 1 — вверх, 0 — вниз. В ходе эксперимента проведены простейшие вычисления, для чего было объединено несколько квантовых точек. Однако для того, чтобы производить действительно «полезные» вычисления, в компьютер понадобится добавить еще около 1 миллиона квантовых точек. Подробное описание (со схемами, рисунками и пояснениями) некоторых наиболее ярких экспериментальных работ, опубликованных в Nature и других ведущих журналах, можно прочитать на русском языке на сайте S
cientific. ru
:Schrader D.,
Dotsenko
I., Khudaverdyan
M., Miroshnichenko
Y., Rauschenbeutel
A., and Meschede
D., Phys. Rev. Lett
. 93, 150501 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/1004/n211004.html;Achermann
M., Petruska
M. A., Kos
S., Smith D. L., Koleske
D. D., Klimov
V. I., Nature 429, 642 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/0804/n260804.html;Elzerman
J. M., Hanson R., Willems
van Beveren
L. H., Witkamp
B., Vandersypen
L. M. K., Kouwenhoven
L. P., Nature, 431, 431 (2004), http://www.scientific.ru/journal/news/0904/n030904.html. Вы читаете Квантовая магия
