Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 O możliwości konstrukcji komputera kwantowego z zastosowaniem urządzeń nanoelektronicznych Janusz Adamowski Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 O możliwości konstrukcji komputera kwantowego z zastosowaniem urządzeń nanoelektronicznych Janusz Adamowski Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH."— Zapis prezentacji:

1 1 O możliwości konstrukcji komputera kwantowego z zastosowaniem urządzeń nanoelektronicznych Janusz Adamowski Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH

2 2 Plan wykładu (1) Wprowadzenie do obliczeń kwantowych: qubity i kwantowe operacje logiczne (2) Warunki realizacji obliczeń kwantowych (3) Nanoelektronika (4) Qubity w kropkach kwantowych (5) Qubity spinowe (6) Qubity w układach nadprzewodzących (7) Podsumowanie

3 3 (1) Wprowadzenie do obliczeń kwantowych Qubity i kwantowe operacje logiczne

4 4

5 5

6 6

7 7 Kwantowe cechy pomiaru

8 8

9 9

10 10

11 11

12 12

13 13 Porównanie bitu klasycznego z qubitem zapis/odczyt bitu klasycznego wymaga przepływu od miliona do miliarda elektronów do zapisu/odczytu qubitu wystarczy przepływ jednego elektronu (lub obrót pojedynczego spinu)

14 14 Qubity i operacje na nich informatyka kwantowa

15 15 (2) Warunki realizacji obliczeń kwantowych (1) qubity muszą być realizowalne fizycznie (2) precyzyjne ustawienie stanu początkowego qubitu (zapis) (3) kontrolowalna ewolucja czasowa qubitu (4) dokładny pomiar (odczyt) stanu końcowego qubitu

16 16 Problemy z utrzymaniem kontrolowalnej ewolucji qubitu: (1) jest możliwa, ale przy całkowitej izolacji qubitu od otoczenia (2) jednak oddziaływanie z otoczeniem (nawet bardzo słabe) jest konieczne do wykonania operacji zapisu/odczytu

17 17 Efekty wynikające z oddziaływania qubitu z otoczeniem (1) rozpad qubitu (rozpad stanu wzbudzonego) czas życia T_1 (2) dekoherencja (zanik spójności) czas koherencji T_2 Na ogół T_2 < T_1

18 18 Ad (1): Rozpad stanu wzbudzonego (relaksacja do stanu podstawowego) Proces z emisją fotonu o energii

19 19 Ad (2): Dekoherencja = zmiana względnej fazy qubitu bez zmiany energii = różnica faz qubitów bazowych

20 20 Koherencja jest utrzymana, jeżeli Po upływie (średniego) czasu koherencji

21 21 Pojawienie się względnej różnicy faz zmienia w sposób istotny wynik pomiaru. W rezultacie zostaje zaburzona kontrolowalna ewolucja qubitu oraz wynik odczytu jego stanu końcowego.

22 22 Przykład: Wskutek dekoherencji qubit symetryczny może przejść w qubit antysymetryczny jeżeli

23 23 Qubite te są wzajemnie ortogonalne: a zatem odpowiadają im na ogół różne wyniki pomiarów.

24 24 Wnioski: Czas koherencji musi być wystarczająco długi, aby: zapisać informację na qubicie dokonać żądanej operacji na qubicie odczytać wynik tej operacji wykonać (wielokrotnie) korekcję błędów

25 25 Optymalne działanie komputera kwantowego

26 26 (3) Nanoelektronika przyrządy półprzewodnikowe o rozmiarach nanometrowych

27 27 Realizowany obecnie etap miniaturyzacji przyrządów elektronicznych do rozmiarów nanometrowych oznacza: (1) osiągnięcie granicy miniaturyzacji przyrządów sztucznie wytwarzanych przez człowieka (2) wejście w obszar zjawisk kwantowych

28 28 Kolejny etap miniaturyzacji będzie oznaczał wykorzystanie pojedynczych molekuł i atomów jako przyrządów elektronicznych. elektronika molekularna

29 29 Tranzystor jednoelektronowy (SET) podstawowy przyrząd nanoelektroniki

30 30 sgd kropka kwantowa

31 31

32 32 Przewodnictwo źródło-dren G w funkcji napięcia bramki V_g

33 33

34 34 Zalety przyszłej realizacji obliczeń kwantowych za pomocą urządzeń nanoelektroniki możliwość zmiany parametrów urządzenia w skali nanometrowej (inżynieria kwantowa) skalowalność (połączenie nanourządzeń w obwód scalony) łatwa integracja z konwencjonalnymi przyrządami elektronicznymi łatwa integracja z komputerami klasycznymi

35 35 (4) Qubity w kropkach kwantowych Kropka kwantowa = sztuczny atom Sprzężone kropki kwantowe = sztuczna molekuła Qubity = elektrony w różnych stanach orbitalnych w różnych kropkach

36 36 Przykład: Układ dwóch sprzężonych kropek kwantowych z asymetrycznym potencjałem uwięzienia

37 37

38 38

39 39 Stany dwuqubitowe bazy obliczeniowej

40 40

41 41

42 42

43 43

44 44 Oszacowana* liczba operacji (ok. 60) w czasie dekoherencji 1 ns jest niestety za mała. * S. Moskal, S. Bednarek, J. Adamowski, Phys. Rev. A 71 (2005)

45 45 (5) Qubity spinowe (a) spiny elektronów uwięzionych w sprzężonych kropkach kwantowych (b) spin elektronu związanego na donorze (c) spiny jąder atomów półprzewodnika

46 46 Detekcja qubitów spinowych (a) efekt Zeemana (b) efekt wymienny

47 47 Ad (a): rozszczepienie poziomów energetycznych w zewnętrznym polu magnetycznym

48 48 Ad (b): rozszczepienie singlet-tryplet

49 49

50 50 Czas życia stanu wzbudzonego elektronowego qubitu spinowego T_1 > 50 ms jest wystarczająco długi do dokonywania wielu operacji logicznych.

51 51 Korzystny stosunek czasów

52 52 Elektron związany na donorze P w krysztale Si R. Vrijen et al., Phys. Rev. A 62 (2000)

53 53

54 54

55 55 E.O. Kane et al., Phys. Rev. B 61 (2000) 2961

56 56 (6) Qubity w układach nadprzewodzących

57 57 prąd w nadprzewodniku qubity w nadprzewodniku: detekcja przejścia: liczba par Coopera (elektron-elektron)

58 58 Możliwość obserwacji

59 59

60 60 Oscylacje Rabiego

61 61 Zmierzony stosunek czasów

62 62 Qubit w obwodzie nadprzewodzącym = przepływ ok. miliona par Coopera ! Qubit = makroskopowy stan kwantowy

63 63 Konkurencyjne technologie Układy NMR (zrealizowano już kwantowe operacje logiczne na kilku qubitach) Pułapki jonowe Wnęki atomowe Wady: trudna integracja z obecną elektroniką trudna skalowalność duże rozmiary

64 64 (7) Podsumowanie (1) Szybki rozwój badań w wielu laboratoriach, np. w ciągu ostatnich 10 lat w USA wzrost wydatków na informatykę kwantową z $5 mln do ponad $100 mln (2) Niestety dotąd nie ustalono, która realizacja fizyczna qubitów jest optymalna. (3) Spodziewane rozstrzygnięcie w ciągu najbliższych kilkunastu lat.

65 65 Komputer hybrydowy bardzo bliska realizacja układu scalonego złożonego z tranzystorów jednoelektronowych połączenie technologii kwantowej i klasycznej

66 66 Cechy komputera opartego na tranzystorach jednoelektronowych duża szybkość operacji logicznych zaniedbywalnie małe wydzielanie ciepła możliwość działania w temperaturze pokojowej pełna integracja z elektroniką klasyczną nie będzie to jednak komputer (w pełni) kwantowy

67 67 Podziękowania dla moich współpracowników Stanisława Bednarka i Sławomira Moskala

68 68 Dziękuję Państwu za uwagę.


Pobierz ppt "1 O możliwości konstrukcji komputera kwantowego z zastosowaniem urządzeń nanoelektronicznych Janusz Adamowski Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH."

Podobne prezentacje


Reklamy Google