Pobierz prezentację
Pobieranie prezentacji. Proszę czekać
OpublikowałJarosława Lipowski Został zmieniony 11 lat temu
1
O możliwości konstrukcji komputera kwantowego z zastosowaniem urządzeń
nanoelektronicznych Janusz Adamowski Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH
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
(1) Wprowadzenie do obliczeń kwantowych
Qubity i kwantowe operacje logiczne
7
Kwantowe cechy pomiaru
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
Qubity i operacje na nich
informatyka kwantowa
15
(2) Warunki realizacji obliczeń kwantowych
qubity muszą być realizowalne fizycznie precyzyjne ustawienie stanu początkowego qubitu (zapis) kontrolowalna ewolucja czasowa qubitu dokładny pomiar (odczyt) stanu końcowego qubitu
16
Problemy z utrzymaniem kontrolowalnej ewolucji qubitu:
jest możliwa, ale przy całkowitej izolacji qubitu od otoczenia jednak oddziaływanie z otoczeniem (nawet bardzo słabe) jest konieczne do wykonania operacji zapisu/odczytu
17
Efekty wynikające z oddziaływania qubitu z otoczeniem
(1) rozpad qubitu (rozpad stanu wzbudzonego) czas życia T_1 dekoherencja (zanik spójności) czas koherencji T_2 Na ogół T_2 < T_1
18
Ad (1): Rozpad stanu wzbudzonego (relaksacja do stanu podstawowego)
Proces z emisją fotonu o energii
19
Ad (2): Dekoherencja = zmiana względnej fazy qubitu bez zmiany energii
= różnica faz qubitów bazowych
20
Koherencja jest utrzymana, jeżeli
Po upływie (średniego) czasu koherencji
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
Przykład: Wskutek dekoherencji qubit symetryczny może przejść w qubit antysymetryczny jeżeli
23
Qubite te są wzajemnie ortogonalne:
a zatem odpowiadają im na ogół różne wyniki pomiarów.
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
Optymalne działanie komputera kwantowego
26
(3) Nanoelektronika przyrządy półprzewodnikowe o rozmiarach nanometrowych
27
Realizowany obecnie etap miniaturyzacji przyrządów elektronicznych do rozmiarów nanometrowych
oznacza: osiągnięcie granicy miniaturyzacji przyrządów sztucznie wytwarzanych przez człowieka (2) wejście w obszar zjawisk kwantowych
28
Kolejny etap miniaturyzacji będzie oznaczał
wykorzystanie pojedynczych molekuł i atomów jako przyrządów elektronicznych. elektronika molekularna
29
Tranzystor jednoelektronowy podstawowy przyrząd nanoelektroniki
(SET) podstawowy przyrząd nanoelektroniki
30
kropka kwantowa s g d
32
Przewodnictwo źródło-dren G w funkcji napięcia bramki V_g
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
(4) Qubity w kropkach kwantowych
Kropka kwantowa = sztuczny atom Sprzężone kropki kwantowe = sztuczna molekuła Qubity = elektrony w różnych stanach orbitalnych w różnych kropkach
36
Przykład: Układ dwóch sprzężonych kropek kwantowych z asymetrycznym potencjałem uwięzienia
39
Stany dwuqubitowe bazy obliczeniowej
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
(5) Qubity spinowe spiny elektronów uwięzionych w sprzężonych kropkach kwantowych spin elektronu związanego na donorze spiny jąder atomów półprzewodnika
46
Detekcja qubitów spinowych
efekt Zeemana (b) efekt wymienny
47
Ad (a): rozszczepienie poziomów energetycznych w zewnętrznym polu magnetycznym
48
Ad (b): rozszczepienie singlet-tryplet
50
Czas życia stanu wzbudzonego elektronowego qubitu spinowego T_1 > 50 ms
jest wystarczająco długi do dokonywania wielu operacji logicznych.
51
Korzystny stosunek czasów
52
R. Vrijen et al., Phys. Rev. A 62 (2000) 012306
Elektron związany na donorze P w krysztale Si R. Vrijen et al., Phys. Rev. A 62 (2000)
55
E.O. Kane et al., Phys. Rev. B 61 (2000) 2961
56
(6) Qubity w układach nadprzewodzących
57
prąd w nadprzewodniku liczba par Coopera (elektron-elektron) qubity w nadprzewodniku: detekcja przejścia:
58
Możliwość obserwacji
60
Oscylacje Rabiego
61
Zmierzony stosunek czasów
62
Qubit w obwodzie nadprzewodzącym = przepływ ok. miliona par Coopera !
Qubit = makroskopowy stan kwantowy
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
(7) Podsumowanie 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 Niestety dotąd nie ustalono, która realizacja fizyczna qubitów jest optymalna. Spodziewane rozstrzygnięcie w ciągu najbliższych kilkunastu lat.
65
Komputer hybrydowy bardzo bliska realizacja układu scalonego złożonego z tranzystorów jednoelektronowych połączenie technologii kwantowej i klasycznej
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
Podziękowania dla moich współpracowników
Stanisława Bednarka i Sławomira Moskala
68
Dziękuję Państwu za uwagę.
Podobne prezentacje
© 2024 SlidePlayer.pl Inc.
All rights reserved.