Ядерні спини в квантової інформатики: вороги чи союзники?

Для практичної реалізації квантових обчислень потрібні надійні фізичні носії квантових бітів (кубітів) – елементарних “будівельних блоків” квантового комп’ютера. Першими експериментально продемонстрованими прикладами кубітів були ядерні спини органічних молекул (розчинених в рідині) та іонів (захоплених в електромагнітній пастці). Однак з погляду масштабованості квантових пристроїв набагато більш привабливі кубіти в твердих тілах. Два основних представника твердотільних кубітів – це надпровідникових ланцюга і спини електронів, локалізованих у квантових точках або на домішкових атомах. Час, протягом якого електронні спінові кубіти зберігають свою когерентність, в значній мірі визначається їх взаємодією з оточуючими ядерними спінами. Цьому питанню присвячені дві оглядові статті в червневому випуску журналу Nature Materials [1, 2].

Основна відмінність електронів від атомних ядер полягає в тому, що їх маса на кілька порядків менше, в результаті чого магнітний момент – на стільки ж порядків більше. Тому електронними спинами простіше керувати (за допомогою магнітного резонансу), а операції з ними здійснюються значно швидше, ніж з ядерними спінами. Зворотною стороною великого магнітного моменту електрона є його сильна взаємодія з оточенням, що призводить до швидкої втрати електронними спиновыми кубітами своєї когерентності. Делокалізація хвильової функції електронів між сусідніми квантовими точками – ще один наслідок їх маленької маси. Можливість перескока електронів з точки на точку у поєднанні з принципом Паулі (див. рис.) дозволяє визначати орієнтацію спина електрона, реєструючи переміщення заряду (спін-зарядова конверсія). Це набагато простіше, ніж безпосереднє вимірювання магнітного моменту одиничного електрона.

Схематичне зображення електронних спінів в туннельно-зв’язаних квантових точках у відсутність (a, d) та при наявності (b, c) електричного зміщення V. Електричний струм I через вузький канал, розташований поблизу однієї з точок, грає роль детектора заряду, дозволяючи визначати число електронів в цій точці. Якщо V10, то перехід електрона з однієї точки на іншу можливий тільки в тому випадку, коли їх спини спрямовані в протилежних напрямках (b), а при співпрямованих спинах такий перехід заборонений принципом Паулі (c). Якщо ж V=0, то при антипараллельной орієнтації спінів двох електронів енергетично невигідно перебувати в одній квантовій точці за кулонівського відштовхування. При цьому, однак, мають місце віртуальні переходи (d), що призводить до обмінного взаємодії спінів, яке робить можливим двухкубитные операції з ними.

Хоча ядерні спини і заважають збереженню когерентності стану електронного спіну у квантовій точці за декогерентизации, при певних умовах вони можуть йому, навпаки, сприяти. Так, наприклад, локальні магнітні поля ядер були використані для операцій з двухэлектронным спіновою кубитом, а надтонке взаємодія електронних і ядерних спінів в NV-центрі дозволяє “зберігати” електронні спінові стани в довгоіснуючих ядерних. Декогерентизирующее вплив ядерних спінів теоретично можна звести майже до нуля, якщо їх повністю поляризувати (і тим самим придушити флуктуації). Поки цього зробити не вдавалося. Втім, не треба забувати, що в твердих тілах є й інші джерела декогерентизации (зарядовый шум тощо), які діють паралельно. Тому навіть використання ізоте чистих матеріалів без ядерних спінів (кремній, вуглець, оксид цинку, дихалькогениды перехідних металів та ін) проблему декогерентизации повністю не знімає.

За матеріалами нотатки
H. Ribeiro, G. Burkard, “Nuclear spins keep coming back”,
Nature Mater. 12, 469 (2013).

1. R. Warburton et al., Nature Mater. 12, 483 (2013).

2. E. A. Chekhovich et al., Nature Mater. 12, 494 (2013).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *