3.8. ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА

В настоящее время существует несколько подходов к проблеме реализации квантового компьютера.

Что касается практического создания аппаратного обеспечения для квантовых компьютеров, то в настоящее время просматривается несколько направлений в развитии их элементной базы. Наиболее широко обсуждаются следующие:

а)
б)
Рис. 17. Ионная ловушка

1. Использование низколежащих энергетических уровней ионов, захваченных ионными ловушками, созданных в вакууме с помощью электрических и магнитных полей определенной конфигурации, при лазерном охлаждении ионов до микрокельвиновых температур.

Обычно ионные ловушки состоят из четырёх прутов-электродов, расположенных так, чтобы формировать трёхмерную клетку. Американские учёные пошли иным путём и сконструировали плоскую двумерную ловушку. В ней электроды представляют собой тонкие золотые ленты, осаждённые на кварцевую подложку, и разведённые при помощи литографии (рис. 17а).

Учёные продемонстрировали принцип работы устройства, удерживая в нем одновременно двенадцать ионов магния. Исследователи считают, что разработка ионных ловушек ляжет в основу работы над созданием квантовых компьютеров.

Ионная ловушка, использовавшаяся в эксперименте (рис. 17б). Ион вводится с задней стороны и проталкивается вдоль оси ловушки к центру резонатора. Эмиссия фотонов достигается импульсом накачки сбоку. Полученные фотоны испускаются через выходное зеркало.

2. Использование ядерных спинов с I = 1/2 и методов ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

Каждый донорный атом с ядерным спином – кубит – в полупроводниковой структуре предполагается расположить регулярным образом с достаточной точностью под «своим» управляющим металлическим затвором (затвор A), отделенным от поверхности кремния тонким диэлектриком (например, окисью кремния толщиной порядка нескольких нанометров). Эти затворы образуют линейную решетку произвольной длины с периодом l, что показано на рис. 18.

Рис. 18. Схематическое изображение двух ячеек полупроводниковой структуры модели Кейна

3. Использование двух спиновых или двух орбитальных электронных состояний в квантовых точках.

Квантовая точка – это электронное устройство, способное «захватывать» электроны и удерживать их в малом пространстве (рис. 19а, 19б). Электроны при этом ведут себя как отдельные стоячие волны, так же, как они ведут себя в атомах. «Искусственный атом» – электронное облако, удерживаемое вышеуказанным образом. «Искусственный атом», в отличие от обыкновенных, не имеет ядра, однако его свойства в целом схожи с обычным атомом. Если из большого количества «искусственных атомов» произвести bulk-структуру (объемную структуру) по типу кристаллической решетки полупроводника, то новый материал будет иметь другие свойства. Так, такой «полупроводник» может вести себя и как металл, и как диэлектрик. При этом такие характеристики как цвет, прозрачность, теплопроводность и магнитные свойства вещества также могут изменяться в реальном времени.

Рис. 19а. Германиевая квантовая точка на кремниевой основе (фотография получена при помощи электронного сканирующего микроскопа)
Рис. 19б. Полупроводниковый конический фотонный канал в качестве квантовой точки

Полупроводниковые квантовые точки представляют собой гигантские молекулы, размерами порядка нанометра, состоящие из 103 – 105 атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и т.д. Они больше обычных для химии традиционных молекулярных скоплений (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов), но меньше структур порядка нанометра по размерам, которые производятся современными литографическими средствами электронной промышленностью.

4. Использование двух спиновых или двух орбитальных электронных состояний в квантовых точках.



Рис. 20. Фотография образца, полученная методом сканирующей электронной микроскопии
b) вид сбоку
c) схематическое изображение изолированной двойной квантовой точки
Операции с зарядовыми кубитами в изолированной паре квантовых точек. Орбитальные состояния электронов в полупроводниковых квантовых точках рассматриваются как кандидаты в квантовые биты (кубиты) для твердотельных квантовых компьютеров. Существенным недостатком таких кубитов являются их малые времена сохранения когерентности t ~ 1нс. Основными источниками декогеренции при этом оказываются шумы в электрических контактах, связывающих индивидуальных кубиты с резервуаром. Английским специалистам удалось увеличить t сразу на два порядка, электрически изолировав от окружения пару туннельно-связанных кремниевых квантовых точек и использовав для операций с кубитами (суперпозициями электронных состояний, локализованных в разных квантовых точках) исключительно емкостные элементы (рис. 20).

Плазмонно-волноводные поляритоны в фотонных кристаллах. Фотонными кристаллами называют структуры с пространственно-периодической диэлектрической проницаемостью, имеющие период порядка длины волны света. Характерная особенность оптических спектров фотонных кристаллов – наличие фотонных запрещенных зон. Пример трехмерных фотонных кристаллов – синтетический опал. Помимо трехмерных фотонных кристаллов, весьма интересными структурами являются одномерно- или двумерно-периодические слои фотонных кристаллов, вертикальная геометрия которых может быть произвольно сложной. Фотонно-кристаллические слои могут быть изготовлены современными методами послойной литографии, а их оптические свойства представляют практический интерес в связи с потенциальной интегрируемостью с микроэлектроникой.

Следует иметь в виду, что исследования фотонных кристаллов, по существу, являющихся дифракционными решетками, в действительности начались задолго до возникновения этого термина.

Поведение фотонных кристаллов существенно обогащается благодаря образованию связанных электронных и фотонных резонансов – поляритонов. Такие кристаллы принято называть поляритонными. В поляритонных кристаллах появляется возможность одновременно управлять электронными и фотонными резонансами. В зависимости от типа электронного резонанса различают экситон-поляритонные кристаллы (с наноструктурированными полупроводниками) и плазмон-поляритонные кристаллы (с наноструктурированными металлами). Одной из реализаций плазмон-поляритонных фотонных кристаллов являются системы с решетками отверстий в тонких металлических пленках. В таких системах обнаружено так называемое аномально большое пропускание света решетками отверстий с размерами, меньшими длины волны, связанное с поведением поверхностных плазмонов в металле. В последнее время активно обсуждаются возможности использования поверхностных плазмонов для нанооптики высокого разрешения, нанофотолитографии и других приложений. Другая возможная реализация поляритонных фотонных кристаллов – на основе решеток из металлических наноточек или нанонитей. В отличие от упомянутых выше поверхностных плазмонов в сплошных металлических слоях, в данном случае это плазмоны, локализованные в металлических наночастицах с размерами, много меньшими длины волны света.

5. Использование квантовых электродинамических полостей и фотонных кристаллов.


Рис. 21. Схематическое изображение металлодиэлектрического фотонного кристалла, состоящего из решетки золотых нитей, нанесенных на поверхность волновода из оксида индий-олова (ITO) на кварцевой подложке.
Наклонная стрелка показывает направление падения света

На рис. 21 представлена схема металло-диэлектрического фотонного кристалла. Золотые нити нанесены на слой оксида индий-олова на кварцевой подложке. Рис. 22 представляет экспериментально измеренные спектры пропускания системы с периодом 450 нм при нормальном падении света в геометриях ТМ и ТЕ (когда магнитное и электрическое поля направлены вдоль нитей соответственно). Максимум на частоте 1,8 эВ, видимый в ТМ-поляризации, отвечает возбуждению плазмона, локализованного в нанонити. Авторам удалось также создать адекватное теоретическое описание наблюдаемых эффектов.

Рис. 22. Экспериментально измеренные спектры пропускания системы с периодом 450 нм при нормальном падении света в геометриях ТМ и ТЕ

Квантовым аналогом такого устройства может являться простейший фотонный кристалл, функционально подобный просветляющему оптическому покрытию линз. Как известно, «работа» фотонного кристалла основана на явлении интерференции световых волн, рассеянных элементами его внутренней структуры. Логика его работы проста: «если длина волны на входе равна заданной (логическая единица), то «выход 1» := 0, «выход 2» := «вход», иначе «выход 1» := «вход», «выход 2» := 0».