Кейн квантовый компьютер
 |
Квантовый компьютер Кейна — это проект масштабируемого квантового компьютера, предложенный Брюсом Кейном в 1998 году. [1] который тогда учился в Университете Нового Южного Уэльса . Компьютер Кейна, который часто называют гибридом квантовых точек и квантовых компьютеров ядерного магнитного резонанса (ЯМР), основан на массиве отдельных фосфора, донорных атомов встроенных в решетку чистого кремния . как ядерные спины доноров, так и спины донорных электронов В расчетах участвуют .
В отличие от многих схем квантовых вычислений, квантовый компьютер Кейна в принципе масштабируем до произвольного числа кубитов. Это возможно, поскольку к кубитам можно индивидуально обращаться с помощью электрических средств.
Описание [ править ]
Первоначальное предложение предусматривало размещение доноров фосфора в массиве с интервалом 20 нм , примерно на 20 нм под поверхностью. Поверх кремния выращивается изолирующий оксидный слой. Металлические ворота A располагаются на оксиде над каждым донором, а ворота J между соседними донорами.
Доноры фосфора изотопно чисты. 31 P, которые имеют ядерный спин 1/2. Кремниевая подложка изотопно чиста. 28 Si, имеющий ядерный спин 0. Использование ядерного спина P-доноров в качестве метода кодирования кубитов имеет два основных преимущества. Во-первых, состояние имеет чрезвычайно большое время декогеренции , возможно, порядка 10 18 секунд при температуре милликельвина . Во-вторых, кубитами можно манипулировать, применяя колеблющееся магнитное поле , как в типичных предложениях ЯМР. Изменяя напряжение на воротах А, можно будет изменить ларморовскую частоту отдельных доноров. Это позволяет решать их индивидуально , приводя конкретных доноров в резонанс с приложенным колеблющимся магнитным полем.
Сами по себе ядерные спины не будут существенно взаимодействовать с другими ядерными спинами на расстоянии 20 нм. Ядерный спин полезен для выполнения операций с одним кубитом, но для создания квантового компьютера необходимы также операции с двумя кубитами. Такова роль спина электрона в этой конструкции. Под контролем А-затвора спин передается от ядра к донорному электрону. Затем к J-затвору прикладывается потенциал, притягивающий соседние донорные электроны в общую область, что значительно усиливает взаимодействие между соседними спинами. Управляя напряжением на затворе J, возможны операции с двумя кубитами.
Предложение Кейна по считыванию заключалось в том, чтобы применить электрическое поле, чтобы стимулировать спин-зависимое туннелирование электрона для преобразования двух нейтральных доноров в D. + –Д – состояние, то есть такое, в котором два электрона связаны с одним и тем же донором. Избыток заряда затем обнаруживается с помощью одноэлектронного транзистора . Этот метод имеет две основные трудности. Во-первых, Д – состояние имеет сильную связь с окружающей средой и, следовательно, короткое время декогеренции. Во-вторых, что, возможно, более важно, неясно, является ли D – Состояние имеет достаточно длительное время жизни, чтобы можно было его считывать — электрон туннелирует в зону проводимости .
Развитие [ править ]
После предложения Кейна, под руководством Роберта Кларка , а теперь и Мишель Симмонс , реализация квантового компьютера Кейна стала основным направлением усилий по квантовым вычислениям в Австралии . [2] Теоретики выдвинули ряд предложений по улучшению считывания. Экспериментально осаждение атомов фосфора с атомной точностью было достигнуто с использованием метода сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в 2003 году. [3] Также было достигнуто обнаружение движения одиночных электронов между небольшими плотными кластерами доноров фосфора. Группа сохраняет оптимизм в отношении возможности создания практического крупномасштабного квантового компьютера. Другие группы считают, что идею необходимо изменить. [4]
В 2020 году Андреа Морелло и другие продемонстрировали, что ядром сурьмы (с восемью спиновыми состояниями), встроенным в кремний, можно управлять с помощью электрического, а не магнитного поля. [5]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Кейн, Б.Е. (1998) « Квантовый компьютер с ядерным спином на основе кремния », Nature , 393 , стр. 133.
- ^ Центр квантовых вычислений и коммуникационных технологий
- ^ Шофилд, С.Р. Атомно точное размещение одиночных примесей в Si. arXiv : cond-mat/0307599 2003 г.
- ^ О'Горман, Дж. Квантовый компьютер с поверхностным кодом на основе кремния. arXiv : 1406.5149 2014 г.
- ^ Чо, Адриан (11 марта 2020 г.). «Случайное открытие приближает квантовые вычисления с использованием стандартных микрочипов» . Наука | АААС . Проверено 13 марта 2020 г.
