Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кейн кванттық компьютері — 1998 жылы Жаңа Оңтүстік Уэльс университетінде жұмыс істеген Брюс Кейн ұсынған, кеңейтілуге болатын кванттық компьютердің жобасы. Кванттық нүктелік және ядролық магниттік резонанс (ЯМР) кванттық компьютерлерінің аралас түрі ретінде қарастырылатын Кейн компьютері, таза кремний кристалдық торларына орналасқан жеке фосфор донорлық атомдарының массивіне негіделген. Донорлардың ядролық спиндері де, донор электрондарының спиндері де есептеу процесіне қатысады. Көптеген кванттық есептеу схемаларынан өзгеше, Кейн кванттық компьютері принципиалды түрде кез келген мөлшердегі кубиттерге дейін кеңейтілуге мүмкіндік береді. Бұл, кубиттерді электрлік әдістермен жеке-жеке анықтауға болатындықтан мүмкін.
The Kane quantum computer is a proposal for a scalable quantum computer proposed by Bruce Kane in 1998, who was then at the University of New South Wales. Often thought of as a hybrid between quantum dot and nuclear magnetic resonance (NMR) quantum computers, the Kane computer is based on an array of individual phosphorus donor atoms embedded in a pure silicon lattice. Both the nuclear spins of the donors and the spins of the donor electrons participate in the computation. Unlike many quantum computation schemes, the Kane quantum computer is in principle scalable to an arbitrary number of qubits. This is possible because qubits may be individually addressed by electrical means.
Сипаттама
Алғашқы ұсыныста фосфор донорлары 20 нм қашықтықта орналастырылуы тиіс, шамамен 20 нм жер бетінен төмен. Кремнийдің үстіне оқшаулағыш оксид қабаты өседі. Металл А қақпалары әр донордың үстіндегі оксидке, ал J қақпалары іргелес донорлардың арасында орналасады. Фосфор донорлары изотоптық таза 31P, олардың ядролық спині 1/2-ге тең. Кремний субстраты - ядролық спині 0 болатын изотоптық таза 28Si. P донорларының ядролық спинін кубиттерді кодтау әдісі ретінде пайдаланудың екі маңызды артықшылығы бар. Біріншіден, күйдің өте ұзақ декогеренция уақыты бар, шамамен 1018 секундқа жуық, милликельвин температурасында. Екіншіден, кубиттерді, дәстүрлі ЯМР ұсыныстарындағыдай, тербелісті магнит өрісін қолдану арқылы басқаруға болады. А қақпаларындағы кернеуді өзгерту арқылы жеке донорлардың Лармор жиілігін өзгертуге болады. Бұл оларға жеке-жеке жол беруге мүмкіндік береді, нақты донорларды қолданылатын тербелісті магнит өрісімен резонансқа келтіруге болады. Ядролық спиндер 20 нм қашықтықтағы басқа ядролық спиндермен күрт өзара әрекеттеспейді. Ядролық спин бір кубит операцияларын орындау үшін пайдалы, бірақ кванттық компьютер құру үшін екі кубит операциясы да қажет. Осы жобада электрон спині осы рөлді атқарады. А қақпасының бақылауымен спин ядродан донор электронына беріледі. Содан кейін J қақпасына потенциал қолданылады, осы арқылы іргелес донор электрондары ортақ аймаққа тартылып, көрші спиндер арасындағы өзара әрекеттесу күшейеді. J қақпасы кернеуін басқару арқылы екі кубит операцияларын жүзеге асыруға болады. Кейннің оқу ұсынысы – екі бейтарап донорды D+–D– күйіне ауыстыру үшін электр өрісін қолдану, яғни екі электронның бір донормен байланысуы. Осы зарядтың артық болуы бір электронды транзистор арқылы анықталады. Бұл әдістің екі үлкен қиындығы бар. Біріншіден, D– күйі ортамен күшті байланысқа ие, сондықтан оның декогеренция уақыты қысқа. Екіншіден, және бәлкім одан да маңыздысы, D– күйінің оқу мүмкіндігіне жететіндей жеткілікті ұзақ өмір сүру мерзімі бар екендігі белгісіз – электрон өткізгіштік зонаға туннельдейді.
The original proposal calls for phosphorus donors to be placed in an array with a spacing of 20 nm, approximately 20 nm below the surface. An insulating oxide layer is grown on top of the silicon. Metal A gates are deposited on the oxide above each donor, and J gates between adjacent donors. The phosphorus donors are isotopically pure 31P, which have a nuclear spin of 1/2. The silicon substrate is isotopically pure 28Si which has nuclear spin 0. Using the nuclear spin of the P donors as a method to encode qubits has two major advantages. Firstly, the state has an extremely long decoherence time, perhaps on the order of 1018 seconds at millikelvin temperatures. Secondly, the qubits may be manipulated by applying an oscillating magnetic field, as in typical NMR proposals. By altering the voltage on the A gates, it should be possible to alter the Larmor frequency of individual donors. This allows them to be addressed individually, by bringing specific donors into resonance with the applied oscillating magnetic field. Nuclear spins alone will not interact significantly with other nuclear spins 20 nm away. Nuclear spin is useful to perform single qubit operations, but to make a quantum computer, two qubit operations are also required. This is the role of electron spin in this design. Under A gate control, the spin is transferred from the nucleus to the donor electron. Then, a potential is applied to the J gate, drawing adjacent donor electrons into a common region, greatly enhancing the interaction between the neighbouring spins. By controlling the J gate voltage, two qubit operations are possible. Kane's proposal for readout was to apply an electric field to encourage spin dependent tunneling of an electron to transform two neutral donors to a D+–D– state, that is, one where two electrons associate with the same donor. The charge excess is then detected using a single electron transistor. This method has two major difficulties. Firstly, the D– state has strong coupling with the environment and hence a short decoherence time. Secondly and perhaps more importantly, it's not clear that the D– state has a sufficiently long lifetime to allow for readout—the electron tunnels into the conduction band.
Даму
Кейннің ұсынысынан бері, Роберт Кларк және қазір Мишель Симмонс басшылығымен, Кейн кванттық компьютерін іске асыру Австралиядағы кванттық есептеулердің басты бағытына айналды. Теориялық тұрғыдан, мәліметтерді алуды жақсарту үшін бірнеше ұсыныс енгізілді. 2003 жылы сканерлі туннельдік микроскоп (СТМ) техникасын пайдаланып, фосфор атомдарын атомдық дәлдікпен орналастыру эксперименттік жолмен жүзеге асырылды. Сондай-ақ, фосфор донорларының кішкентай, тығыз кластерлері арасындағы жеке электрондардың қозғалысын анықтауға қол жеткізілді. Топ үлкен масштабты, практикалық кванттық компьютер құруға болатынына үміттенеді. Басқа топтар бұл идеяны қайта қарау қажет деп санайды. 2020 жылы Андреа Морелло және тағы басқалар, кремнийге енген антимон ядросын (сегіз спиндік күйі бар) магниттік емес, электр өрісі арқылы басқаруға болатындығын көрсетті.
Since Kane's proposal, under the guidance of Robert Clark and now Michelle Simmons, pursuing realisation of the Kane quantum computer has become the primary quantum computing effort in Australia. Theorists have put forward a number of proposals for improved readout. Experimentally, atomic precision deposition of phosphorus atoms has been achieved using a scanning tunneling microscope (STM) technique in 2003. Detection of the movement of single electrons between small, dense clusters of phosphorus donors has also been achieved. The group remains optimistic that a practical large scale quantum computer can be built. Other groups believe that the idea needs to be modified. In 2020, Andrea Morello and others demonstrated that an antimony nucleus (with eight spin states) embedded in silicon could be controlled using an electric field, rather than a magnetic field.