Сайт переехал physreal.com

Ученые сразу трех выдающихся мировых университетов Оксфорда (Англия), Принстона и Беркли (США) выступили с предложением применить спины атомов ³¹Р для квантовой памяти [1]. Количество авторов этой публикации похоже на то, что бывает при открытии новой элементарной частицы. В статье используются идеи Кейна по созданию твердотельного квантового компьютера на атомах фосфора, внедренных в «безспиновый» кремний ²⁸Si [2]. Авторы ссылаются на эту знаменитую работу, но только мимоходом. В действительности, они взяли из нее фрагмент, посвященный отдельному кубиту. Имеется в виду запись квантовой информации на электронном спине, передача ее на ядерный спин и наоборот - передача информации с ядерного спина на электронный спин и ее считывание. Это и есть запись, хранение и считывание квантовой информации.

В атоме ³¹Р присутствует спин электрона на внешней s-орбите, который связан со спином ядра за счет сверхтонкого взаимодействия. Хранить информацию удобнее на ядерном спине ввиду большого времени его декогерентизации. При температуре Т=5.5 К это время превосходит одну секунду. Время декогерентизации электронного спина на несколько порядков меньше. Казалось бы, можно записывать информацию непосредственно на ядерный спин с помощью методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР), минуя промежуточную стадию электронного спина, но это не так. Ядерные спины невозможно инициализировать, т.е. привести в известное и одинаковое состояние. Частота ЯМР в достижимых магнитных полях находится в радиочастотном диапазоне (rf), а это означает, что энергия перехода «спин вверх - спин вниз» очень мала. Получить определенную ориентацию спина путем охлаждения не удается даже при сверхнизких температурах. Вот тут и вступает в игру электронный спин. Энергия переворота электронного спина соответствует диапазону микроволнового излучения (μw). Электронные спины можно инициализировать с помощью охлаждения. Затем на них может быть записана квантовая информация, т.е. спин электрона приведен в суперпозиции состояний «спин вверх» и «спин вниз». 

На рис. 1А представлены уровни энергии, соответствующие системе из двух спинов – электронного и ядерного. Спины связаны с помощью сверхтонкого взаимодействия. На рис. 1В показано, как с помощью π-импульсов, которые переворачивают соответствующий спин, произвести обмен состояниями между электронным и ядерным спинами. Извлечение информации производится с помощью обратного процесса, после чего спиновое состояние электрона считывается тем или иным методом.

Рис. 1. Система уровней (А) и процедура передачи информации с электронного на ядерный спин (В).

 

Кстати, совсем недавно ученые Калифорнийского университета в Беркли (США) предложили, как можно измерить состояние электронного спина с помощью тока, протекающего в канале кремниевого полевого транзистора, но в данной работе это пока не реализовано.

Главным достоинством работы, несомненно, является экспериментальное воплощение представленной идеи. Пока продемонстрирована работа только одного ансамблевого кубита, составленного из огромного числа имплантированных атомов фосфора, которые работают независимо друг от друга. Большое количество атомов требуется для того, чтобы измерять состояние системы с помощью макроскопических методов ЯМР и ЭПР.

Преимущества квантового компьютера и квантовой памяти по сравнению с классическими аналогами проявятся только при использовании запутанных состояний кубитов. Для создания квантовой памяти большой емкости все равно потребуется реализация конструкции Кейна с регулярным расположением атомов и управляющих электродов. К сожалению, это по-прежнему остается далеким от современных технологических возможностей.

1. J.Morton et al., ArXiv:0803.2021[quant-ph], 13 Mar 2008.

2. B.E.Kane, Nature 393, 133 (1998).