Введение

Предлагаемая реализация квантового компьютера на основе спина Ядерный магнитно-резонансный квантовый вычислительный процесс (NMRQC) является одним из нескольких предлагаемых подходов к построению квантового компьютера, который использует спиновые состояния ядер внутри молекул в качестве кубитов. Квантовые состояния исследуются с помощью ядерного магнитного резонанса, что позволяет реализовать систему как вариацию ядерной магнитно-резонансной спектроскопии. NMR отличается от других реализаций квантовых компьютеров тем, что использует ансамбль систем, в данном случае молекул, а не одно чистое состояние. Первоначально подход заключался в использовании спиновых свойств атомов определенных молекул в жидком образце как кубитов, это известно как NMR жидкого состояния (LSNMR). С тех пор этот подход был заменен твердотельным МРТ (SSNMR) в качестве средства квантовых вычислений.

НМР в жидком состоянии

Идеальная картина квантовой обработки информации в жидком состоянии (LSNMR) основана на молекуле, в которой некоторые ядра атома ведут себя как спиновые системы. В зависимости от того, какие ядра мы рассматриваем, они будут иметь разные энергетические уровни и различные взаимодействия с соседями, и поэтому мы можем рассматривать их как различные кубиты. В этой системе мы склонны рассматривать межатомные связи как источник взаимодействия между кубитами и использовать эти спин-спин взаимодействия для выполнения 2-кубитовых ворот, таких как CNOT, которые необходимы для универсальных квантовых вычислений. В дополнение к спин-спиновым взаимодействиям, присущим молекуле, может применяться внешнее магнитное поле (в лабораториях МРТ), и это накладывает на однокубитные ворота. Используя тот факт, что разные спины будут испытывать разные локальные поля, мы можем контролировать отдельные спины. Описанная выше картина далека от реалистичности, поскольку мы рассматриваем одну молекулу. МРТ выполняется на ансамбле молекул, обычно до 10^15 молекул. Это вводит в модель осложнения, одним из которых является введение декогерентности. В частности, у нас есть проблема открытой квантовой системы, взаимодействующей с макроскопическим числом частиц вблизи теплового равновесия (~mK до ~ 300 K). Это привело к разработке методов подавления декогерентности, которые распространились на другие дисциплины, такие как захваченные ионы. Другой важный вопрос, касающийся работы вблизи теплового равновесия, - это смешанность состояния. Это потребовало введения ансамбльной квантовой обработки, основное ограничение которой заключается в том, что по мере внедрения в нашу систему большего количества логических кубитов нам требуются большие образцы для получения видимых сигналов во время измерений.

НМР в твердом состоянии

НМР твердого состояния (НСМРТ), в отличие от НСМРТ, использует образец твердого состояния, например, алмазную решетку с вакансией азота, а не жидкий образец. Это имеет много преимуществ, таких как отсутствие молекулярной диффузионной декогеренции, более низкие температуры могут быть достигнуты до точки подавления фононовой декогеренции и большего разнообразия операций контроля, которые позволяют нам преодолеть одну из основных проблем LSNMR, то есть инициализацию. Кроме того, поскольку в кристаллической структуре мы можем точно локализовать кубиты, мы можем измерить каждый кубит индивидуально, вместо того, чтобы иметь измерение ансамбля, как в LSNMR.

История

Использование ядерных спинов для квантовых вычислений впервые обсудили Сет Ллойд и Дэвид Ди Винченцо. Манипуляция ядерных спинов для квантовых вычислений с использованием НМР в жидком состоянии была введена независимо Кори, Фахми и Гавелем и Гершенфельдом и Чуан в 1997 году. Некоторые ранние успехи были получены в выполнении квантовых алгоритмов в системах НМР из-за относительной зрелости технологии НМР. Например, в 2001 году исследователи из IBM сообщили об успешной реализации алгоритма Шора в 7 кубитном квантовом компьютере NMR. Однако даже с первых дней было признано, что квантовые компьютеры NMR никогда не будут очень полезны из-за плохого масштабирования соотношения сигнал-шум в таких системах. Более поздние работы, особенно Кэвса и других, показывают, что все эксперименты в жидком состоянии с массовым ансамблем квантовых вычислений NMR до настоящего времени не обладают квантовой запутанностью, которая, как полагают, необходима для квантовых вычислений. Следовательно, эксперименты с квантовыми вычислениями NMR, вероятно, были только классическими симуляциями квантового компьютера.