Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Ядерные спины в квантовой информатике: враги или союзники?
Для практической реализации квантовых вычислений требуются надежные физические носители квантовых битов (кубитов) – элементарных “строительных блоков” квантового компьютера. Первыми экспериментально продемонстрированными примерами кубитов были ядерные спины органических молекул (растворенных в жидкости) и ионов (захваченных в электромагнитной ловушке). Однако с точки зрения масштабируемости квантовых устройств гораздо более привлекательны кубиты в твердых телах. Два основных представителя твердотельных кубитов – это сверхпроводниковые цепи и спины электронов, локализованных в квантовых точках или на примесных атомах. Время, в течение которого электронные спиновые кубиты сохраняют свою когерентность, в значительной мере определяется их взаимодействием с окружающими ядерными спинами. Этому вопросу посвящены две обзорные статьи в июньском выпуске журнала Nature Materials [1, 2].
Основное отличие электронов от атомных ядер заключается в том, что их масса на несколько порядков меньше, в результате чего магнитный момент – на столько же порядков больше. Поэтому электронными спинами проще управлять (посредством магнитного резонанса), а операции с ними осуществляются гораздо быстрее, чем с ядерными спинами. Обратной стороной большого магнитного момента электрона является его сильное взаимодействие с окружением, что приводит к быстрой потере электронными спиновыми кубитами своей когерентности. Делокализация волновой функции электронов между соседними квантовыми точками – еще одно следствие их маленькой массы. Возможность перескока электронов с точки на точку в сочетании с принципом Паули (см. рис.) позволяет определять ориентацию спина электрона, регистрируя перемещение заряда (спин-зарядовая конверсия). Это гораздо проще, чем непосредственное измерение магнитного момента единичного электрона.
Схематическое изображение электронных спинов в туннельно-связанных квантовых точках в отсутствие (a, d) и при наличии (b, c) электрического смещения V. Электрический ток I через узкий канал, расположенный вблизи одной из точек, играет роль детектора заряда, позволяя определять число электронов в этой точке. Если V¹0, то переход электрона с одной точки на другую возможен только в том случае, когда их спины направлены в противоположных направлениях (b), а при сонаправленных спинах такой переход запрещен принципом Паули (c). Если же V=0, то при антипараллельной ориентации спинов двум электронам энергетически невыгодно находиться в одной квантовой точке из-за кулоновского отталкивания. При этом, однако, имеют место виртуальные переходы (d), что приводит к обменному взаимодействию спинов, которое делает возможным двухкубитные операции с ними.
Хотя ядерные спины и мешают сохранению когерентности состояния электронного спина в квантовой точке из-за декогерентизации, при определенных условиях они могут ему, напротив, способствовать. Так, например, локальные магнитные поля ядер были использованы для операций с двухэлектронным спиновым кубитом, а сверхтонкое взаимодействие электронных и ядерных спинов в NV-центре позволяет “хранить” электронные спиновые состояния в долгоживущих ядерных. Декогерентизирующее влияние ядерных спинов теоретически можно свести почти к нулю, если их полностью поляризовать (и тем самым подавить флуктуации). Пока этого сделать не удавалось. Впрочем, не надо забывать, что в твердых телах есть и другие источники декогерентизации (зарядовый шум и пр.), которые действуют параллельно. Поэтому даже использование изотопически чистых материалов без ядерных спинов (кремний, углерод, оксид цинка, дихалькогениды переходных металлов и др.) проблему декогерентизации полностью не снимает.
