Кіріспе

Кванттық компьютерді енгізу ұсынысы

Тұтқынға түскен иондық кванттық компьютер – үлкен масштабты кванттық компьютерді құрудың бір ұсынылған жолы. Иондар, немесе зарядталған атомдық бөлшектер, электромагниттік өрістерді пайдалана отырып, бос кеңістікте шектеліп, тоқтатылуы мүмкін. Кубиттер әрбір ионның тұрақты электрондық күйінде сақталады, ал кванттық ақпарат иондардың ортақ тұзақтағы (Кулон күші арқылы өзара әрекеттесетін) ұжымдық квантталған қозғалысы арқылы берілуі мүмкін. Лазерлер кубит күйлері арасында байланыстыруды (жеке кубит операциялары үшін) немесе ішкі кубит күйлері мен сыртқы қозғалыс күйлері арасында байланыстыруды (кубиттер арасындағы байланыс үшін) тудыру үшін қолданылады.

Тарих

Басқарылатын NOT кванттық қақпасының алғашқы іске асыру схемасын 1995 жылы Игнасио Сирак пен Питер Золлер ұсынды, нақтырақ айтқанда, тұтқынға алынған иондық жүйе үшін. Сол жылы NIST Ion Storage Group-та бақыланатын NOT қақпасының маңызды қадамы тәжірибе жүзінде іске асырылды және кванттық есептеулер саласындағы зерттеулер дүниежүзілік деңгейде қарқынды дамуға көшті. [[Файл:Кванттық есептеу демонстраторының екі 19 дюймдік тіректе орналасқан, негізгі компоненттері белгіленген, оңайлатылған масштабтағы моделі.png|thumb|380px|Оңайлатылған масштабтағы модель]]

Пауыл тұзақ

Қазіргі кезде кванттық есептеулер зерттеуінде қолданылатын электродинамикалық төртполюсті ион тұзағын 1950 жылдары Вольфганг Пол (өз жұмысы үшін 1989 жылы Нобель сыйлығын алған) ойлап тапты. Зарядталған бөлшектерді 3D кеңістікте тек электростатикалық күштермен ұстау мүмкін емес, себебі Ерншоу теоремасы бұған кедергі келтіреді. Оның орнына радиожиіліктік (RF) тербелісті электр өрісі қолданылады, ол RF жиілігінде айналатын еңкейген бет пішіндес потенциалды қалыптастырады. Егер RF өрісінің дұрыс параметрлері (тербеліс жиілігі және өріс күші) болса, зарядталған бөлшектер еңкейген беттің нүктесінде қалпына келтіру күшімен тиімді түрде тұтқындалады, ал оның қозғалысы Матье теңдеулерінің жиынтығымен сипатталады. Пол тұзағы көбінесе иондарды екі өлшемде (жалпылықты жоғалтпай және болсын) тұтқындап тұратын гармоникалық потенциал ретінде сипатталады және иондарды бағытында тұтқындамайды. Егер бірнеше ион еңкейген беттің нүктесінде орналасса және жүйе тепе-теңдікте болса, иондар тек қозғалуға болады. Сондықтан иондар бір-бірін итеріп, жазықтығында тік конфигурация құрайды, ең қарапайым жағдайда – тек бірнеше ионнан тұратын тікелей тізбек. Көптеген иондар бір тұзақта бастапқы жағдайда болса, Кулондық өзара әрекеттесулер күрделене түсіп, одан да күрделі иондық конфигурацияны құрайды. Кванттық есептеу үшін жүйенің бастапқы күйін иондардың гиперфиналық және қозғалыс негіздік күйлерінде сипаттауға болады, нәтижесінде бастапқы массалық фонон күйінің орталығы (нөлдік фонондар) пайда болады.

Бір кубиттің кездейсоқ айналуы

Универсалды кванттық есептеудің бір талабы – бір кубит күйін сақталы түрде өзгерту. Мысалы, бұл 0-ден басталатын кубитті пайдаланушы анықтаған 0 мен 1-дің кез келген суперпозициясына айналдыруға мүмкіндік береді. Тұтқынға түскен иондық жүйеде бұл көбінесе магниттік дипольдік өтулерді, гиперфине кубиттері үшін күшті Раман өтулерін, ал оптикалық кубиттері үшін электрлік төртполюстік өтулерді пайдалану арқылы жүзеге асырылады. "Айналу" термині кубит таза күйінің Блох сферасындағы бейнеленуіне сілтеме жасайды. Қақпаның сенімділігі 99%-дан жоғары болуы мүмкін. Айналу операторлары және сыртқы электромагниттік өрістің жиілігін өзгерту және иондарды белгілі бір уақытқа өріске ұсыну арқылы жеке иондарға қолданылуы мүмкін. Бұл басқару элементтері келесі формадағы Гамильтонды құрайды: Мұнда және – спиннің көтеру және төмендету операторлары (баспалдақ операторды қараңыз). Бұл айналулар кванттық есептеудегі бір кубит қақпаларының әмбебап құрылыс блоктары болып табылады.

Өлшегіштік тұзақтар

Кванттық компьютерлер күрделі есептеу мәселелерін шешу үшін бір мезгілде көптеген кубиттерді инициализациялау, сақтау және манипуляциялау қабілетіне ие болуы керек. Дегенмен, бұрын талқыланғандай, әрбір тұзақта шектеулі сандағы кубиттерді олардың есептеу қабілеттерін сақтай отырып сақтауға болады. Сондықтан, бір тұзақтан екіншісіне ақпаратты беруге қабілетті өзара байланысты иондық тұзақтарды жобалау қажет. Иондарды бір әрекеттесу аймағынан жекелеген сақтау аймақтарына бөліп, олардың ішкі күйлерінде сақталған кванттық ақпаратты жоғалтпай қайта біріктіруге болады. Иондарды "Т" түйіспесінде бұрыштарға бұруға болады, бұл екі өлшемді тұзақ массивінің дизайнын жасауға мүмкіндік береді. Жаңа буын тұзақтарды жасау үшін жартылай өткізгіштік технологиялар да қолданылды, бұл "чиптегі иондық тұзақты" іске асыруға мүмкіндік берді. Мысалы, Д. Киелпински, Кристофер Монро және Дэвид Ж. Уайнланд жасаған кванттық зарядты қосқан құрылғы (QCCD). QCCD-лер кубиттерді сақтау және манипуляциялау үшін арналған белгілі бір аймақтары бар электродтар лабиринтіне ұқсайды. Электродтармен құрылған өзгермелі электр потенциалы иондарды белгілі бір аймақтарда тұтқындап, оларды тасымалдау арналары арқылы жылжыта алады, бұл барлық иондарды бір тұзақта ұстау қажеттілігін жоққа шығарады. QCCD-нің жад аймағындағы иондар кез келген операциялардан оқшауланған, сондықтан олардың күйлеріндегі ақпарат кейінірек пайдалану үшін сақталады. Өзара әрекеттесу аймағындағы кубиттерге екі иондық күйді өзара байланыстыруды қамтитын қақпалар осы мақалада сипатталған әдіспен қолданылады.

Өлшемді тұзақтардың ырғақтылығы

Ион өзара байланысты тұзақта аймақтар арасында тасымалданатын және біркелкі емес магнит өрісіне ұшыраған кезде, декогеренция төмендегі теңдеу түрінде пайда болуы мүмкін (Земан эффектісін қараңыз). Бұл кванттық күйдің салыстырмалы фазасын өзгертпейді. Жоғары және төмен бағытталған жебелер жалпы суперпозициялық кубит күйін көрсетеді, бұл жағдайда ионның негізгі және қозған күйлері. Тұзақтың физикалық қозғалыстары немесе қажетсіз электр өрістерінің болуы қосымша салыстырмалы фазалардың пайда болуына әкелуі мүмкін. Егер пайдаланушы α параметрін анықтай алса, осы декогеренцияны есепке алу салыстырмалы түрде оңай болар еді, себебі салыстырмалы фазаны түзетуге арналған белгілі кванттық ақпараттық процестер бар. Дегенмен, магнит өрісімен өзара әрекеттесуден туындаған α жолға тәуелді болғандықтан, мәселе өте күрделі. Ион тұзағында салыстырмалы фазаның декогеренциясын тудырудың көптеген мүмкіндіктерін ескере отырып, иондық күйді декогеренцияны азайтатын жаңа негізде қайта қарастыру мәселені шешудің бір жолы болуы мүмкін. Декогеренциямен күресудің бір тәсілі – кванттық күйді декогеренциядан еркін субкеңістіктер немесе DFS деп аталатын жаңа негізде бейнелеу. Негізгі күйлер және DFS – екі иондық күйдің субкеңістігі, егер екі ион бірдей салыстырмалы фазаны алса, онда DFS-тегі жалпы кванттық күйге ешқандай әсер етпейді.

Қиындықтар

Тұтқынға түскен иондық кванттық компьютерлер теориялық тұрғыдан Ди Винченцоның кванттық есептеуге қойған барлық талаптарына жауап береді, бірақ жүйені іске асыру өте қиын болуы мүмкін. Тұтқынға түскен иондық кванттық есептеудегі негізгі мәселелер – ионның қозғалыс күйлерін инициализациялау және фонон күйлерінің салыстырмалы түрде қысқа ғұмыр сүру ұзақтығы. Декогеренцияны жою да қиындық тудырады, ол кубиттердің сыртқы ортамен қажетсіз әрекеттесуі нәтижесінде пайда болады.

CNOT шлюзінің іске асырылуы

Бақыланатын NOT қақпасы кванттық есептеу үшін өте маңызды компонент болып табылады, себебі кез келген кванттық қақпаны CNOT қақпалары мен бір кубит айналымдарының комбинациясы арқылы жасауға болады. Сондықтан, тұтқынға алынған иондық кванттық компьютердің осы операцияны орындауы үшін келесі үш талапты қанағаттандыруы қажет. Біріншіден, тұтқынға алынған иондық кванттық компьютер кубиттерде кез келген айналымдарды орындауға қабілетті болуы керек, бұл мәселе "бір кубиттік кездейсоқ айналу" бөлімінде талқыланған. CNOT қақпасының келесі құралы – бақыланатын фазалық өзгерту қақпасы, немесе бақыланатын X қақпасы (кванттық логикалық қақпаны қараңыз). Тұтқынға алынған иондық кванттық компьютерде, фононның массалық орталығының күйі басқару кубиті ретінде, ал ионның ішкі атомдық спині жұмыс кубиті ретінде қызмет етеді. Сондықтан, егер фонон кубиті белгілі бір күйде болса, жұмыс кубитінің фазасы өзгертіледі. Соңында, иондық және фонон күйлеріне әсер ететін SWAP қақпасын іске асыру қажет. CNOT қақпаларын бейнелеудің екі түрлі схемасы Майкл Нильсен мен Айзек Чуангтың "Кванттық есептеу және кванттық ақпарат" және Сирак пен Золлердің "Суық тұтқындалған иондармен кванттық есептеу" еңбектерінде ұсынылған.

Қосымша ресурстар

arxiv.org сайтындағы тұтқын иондық компьютері.