Кіріспе
Спинге негізделген кванттық компьютерді енгізу Ұсынылған ядролық магниттік резонанстық кванттық есептеу (NMRQC) - молекулалар ішіндегі ядролардың спиндік күйлерін кубит ретінде пайдаланатын кванттық компьютерді құру үшін ұсынылған бірнеше тәсілдердің бірі. Кванттық күйлер ядролық магниттік резонанстар арқылы тексеріледі, бұл жүйе ядролық магниттік резонанс спектроскопиясының өзгеруі ретінде іске асырылуы мүмкін. NMR кванттық компьютерлердің басқа іске асырылуларынан ерекшеленеді, өйткені ол жүйелердің ансамблін, бұл жағдайда молекулаларды, бір таза күйден гөрі пайдаланады. Бастапқыда бұл тәсіл сұйық үлгідегі белгілі бір молекулалардың атомдарының спин қасиеттерін кубиттер ретінде пайдалану еді. Бұл сұйық күйдегі НМР (LSNMR) деп аталады. Бұл тәсіл кванттық есептеу құралы ретінде қатты күйдегі НМР (SSNMR) арқылы алмастырылды.
Nuclear magnetic resonance quantum computing (NMRQC) is one of the several proposed approaches for constructing a quantum computer, that uses the spin states of nuclei within molecules as qubits. The quantum states are probed through the nuclear magnetic resonances, allowing the system to be implemented as a variation of nuclear magnetic resonance spectroscopy. NMR differs from other implementations of quantum computers in that it uses an ensemble of systems, in this case molecules, rather than a single pure state. Initially the approach was to use the spin properties of atoms of particular molecules in a liquid sample as qubits this is known as liquid state NMR (LSNMR). This approach has since been superseded by solid state NMR (SSNMR) as a means of quantum computation.
Сұйық күйдегі NMR
Сұйық күйдегі NMR (LSNMR) кванттық ақпарат өңдеудің (QIP) идеалдық суреті оның кейбір атом ядролары спинді 1⁄2 жүйе ретінде әрекет ететін молекулаға негізделген. Біз қарастырып отырған ядроларға байланысты олардың әртүрлі энергия деңгейлері болады және көршілерімен әртүрлі өзара әрекеттесуі болады, сондықтан біз оларды ажыратылатын кубиттер ретінде қарастыра аламыз. Бұл жүйеде біз атомдық байланыстарды кубиттер арасындағы өзара іс-қимылдың көзі ретінде қарастырамыз және бұл спин-спин өзара іс-қимылдарын әмбебап кванттық есептеулер үшін қажетті CNOT сияқты 2 кубит қақпаларын орындау үшін пайдаланамыз. Молекулаға тән спин-спин өзара әрекеттесулеріне қосымша сыртқы магнит өрісін қолдануға болады (НМР зертханаларында) және олар бір кубит қақпаларын енгізеді. Әр түрлі айналымдар әр түрлі жергілікті өрістерді сезінетінін пайдаланып, біз жеке айналымдарды бақылай аламыз. Жоғарыда сипатталған сурет шындыққа жақын емес, өйткені біз бір молекуланы қарастырамыз. NMR молекулалар ансамбліне, әдетте 10^15 молекулаға дейін жүргізіледі. Бұл модельге күрделіліктерді енгізеді, олардың бірі - декогерентті енгізу. Әсіресе , бізде ашық кванттық жүйеде жылулық тепе-теңдікке жақын макроскопиялық бөлшектер санымен өзара әрекеттесу мәселесі бар (~ mK ~ 300 K). Бұл тұтқынға түскен иондар сияқты басқа салаларға таралған декогеренттілікті басу әдістерінің дамуына әкелді. Термиялық тепе-теңдікке жақын жұмыс істеудің басқа маңызды мәселесі - мемлекеттің аралас болуы. Бұл үшін ансамбльдік квантты өңдеуді енгізу қажет болды, оның негізгі шектеулері - жүйеге логикалық кубиттерді көбірек енгізген сайын, өлшеу кезінде анық сигналдар алу үшін үлкен үлгілер қажет болады.
Қатты күйдегі МРТ
Қатты күйдегі НМР (SSNMR), LSNMR-ден айырмашылығы, сұйық үлгіге қарағанда қатты күйдегі үлгіді, мысалы, азот бос алмаз торшасын қолданады. Бұл көптеген артықшылықтарға ие, мысалы молекулалық диффузиялық ырғақтылықтың болмауы, фонондық ырғақтылықты басу нүктесіне дейін төмен температураға қол жеткізуге болады және LSNMR-дің негізгі проблемаларының бірі - инициализацияны жеңуге мүмкіндік беретін бақылау операцияларының үлкен түрленуі. Сонымен қатар, кристалл құрылыста біз кубиттерді дәл орналастыра аламыз, LSNMR-дегідей, әр кубитті жеке-жеке өлшеуге болады.
Тарих
Кванттық есептеулер үшін ядролық спиндерді пайдалануды алғаш рет Сет Ллойд пен Дэвид Ди Винченцо талқылады. Сұйық күйдегі NMR көмегімен кванттық есептеу үшін ядролық спиндерді манипуляциялауды 1997 жылы Cory, Fahmy және Havel және Gershenfeld және Chuang өз бетінше енгізді. NMR технологиясының салыстырмалы жетілуіне байланысты NMR жүйелерінде кванттық алгоритмдерді орындау кезінде кейбір ерте жетістіктер қол жеткізілді. Мысалы, 2001 жылы IBM зерттеушілері 7 кубиттік NMR кванттық компьютерде Шор алгоритмін сәтті іске асыру туралы хабарлады. Алайда, алғашқы күндерден бастап-ақ, NMR кванттық компьютерлері мұндай жүйелерде сигнал мен шудың арақатынасының нашар масштабталуынан ешқашан пайдалы бола алмайтыны мойындалды. Соңғы уақыттағы жұмыс, әсіресе Кэвс және басқалар, сұйық күйдегі барлық эксперименттерде КМР кванттық есептеулер кванттық түйісуге ие емес, бұл кванттық есептеулер үшін қажет деп есептеледі. Сондықтан кванттық компьютерлік тәжірибелер тек кванттық компьютердің классикалық симуляциясы болуы мүмкін.