Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

16
Реализация логической операции CNOT в квантовом компьютере на квантовых точках с электронными орбитальными состояниями без перемещения заряда Филиппов С.Н.¹ ׳² , Вьюрков В.В.² ¹Московский физико-технический институт (государственный университет) ²Физико-технологический институт РАН 50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Upload: babu

Post on 19-Jan-2016

72 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

ФТИАН. Реализация логической операции CNOT в квантовом компьютере на квантовых точках с электронными орбитальными состояниями без перемещения заряда. Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ² ¹ Московский физико-технический институт (государственный университет) - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

Реализация логической операции CNOT

в квантовом компьютере на квантовых точках с электронными

орбитальными состояниями без перемещения заряда

Филиппов С.Н.¹ ²׳ , Вьюрков В.В.²¹Московский физико-технический институт

(государственный университет)²Физико-технологический институт РАН

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Page 2: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Содержание

Основная проблема квантовых компьютеров с электронными зарядовыми состояниями

Предлагаемый вариант реализации квантового компьютера

Кубит: его структура и работа Инициализация Подавление эффектов декогерентизации Измерение состояния Возможность выполнения однокубитовых и

двухкубитовых операций

Page 3: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

„Неустранимая” проблема

Одним из наиболее существенных недостатков зарядовых кубитов является неконтролируемое кулоновское взаимодействие (декогерентизация) между соседними кубитами в процессе вычисления.

Это обстоятельство не позволяет проводить на них квантовые вычисления.

Page 4: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Конструкция кубита и его работа

Кубит состоит из двух двойных квантовых точек (ДКТ), каждая из которых содержит один электрон

Электрод Е управляет силой обменного взаимодействия между электронами.

Электрод Т изменяет туннельную связь между квантовыми точками, составляющими двойную квантовую точку.

E

T

Page 5: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

1 2 2 1

10

2

1 2 2 1

11

2

Состояния кубита

Потенциал двойной квантовой точки

Симметричная Антисимметричная

Волновая функция электрона в ДКТ

Спин-поляризованные электроны:

Page 6: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Состояния кубита

Любое состояние кубита

Гамильтониан системы в матричном представлении

Оператор эволюции

2 2

0 1a b

a b

0 1 1 0

1 0 0 1H A P

0

( )

( )

t

H d

U t Te

Page 7: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Инициализация

Охлаждение в магнитном поле

Накачка электронов из источника спин-поляризованных электронов, например, ферромагнетика

Перемещение электронов по цепочке для заполнения всех кубитов

Page 8: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Декогерентизация

Подавление основного механизма декогерентизации твердотельных квантовых компьютеров, связанного с дальнодействующим кулоновским взаимодействием

Особая симметрия системы обеспечивает нечувствительность к флуктуациям напряжения

Малый энергетический зазор между состояниями в ДКТ обеспечивает малую декогерентизацию на фононах:

для деформационных акустических фононовдля пьезоэлектрических акустических фононов

Возможность „заморозки” кубита. В этом случае декогерентизация обусловлена только двухфононными процессами

5( ) 3( )

x

y

Page 9: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Считывание

Для считывания результата вычислений необходимо различать состояние от состояния электрона в ДКТ

Дополнительный электрод, расположенный вблизи ДКТ, способен вызвать туннелирование электрона в первую или вторую квантовую точки (в зависимости от начального состояния или )

Page 10: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Квантовые операции

Любая унитарная квантовая операция может быть выполнена с помощью определенной совокупности только однокубитовых и двухкубитовых операций

Существенно, чтобы между управляемыми кубитами имели место определенные нелинейные взаимодействия, обеспечивающие выполнение двухкубитовых операций

Page 11: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Двухкубитовые операции

Наиболее простой является операция SWAP, т.е. обмен состояниями между соседними кубитами

1st qubit 2nd qubit

10 0 0T

0 0T

0 0T

0T

1st qubit 2nd qubit

10 0 0 0 0T

010 0 0 0T

0 010 0 0T

0 0 010 0T

0 0 0 010T

0 0 0 0 01T

1 2SWAP E NOT NOT E

Page 12: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Матричное представление

Операторы записываются в матричном представлении

1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 0

0 0 0 1 0 0

0 0 1 0 0 0

0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1

SWAP

1

0 0 0 1 0 0

0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1

1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 0

0 0 1 0 0 0

NOT

2

0 0 1 0 0 0

0 1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 1 0

0 0 0 1 0 0

NOT

0 1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0ˆ0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 1 0

E

1 2 1 1 2 2 1 2 1 2

2

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ

ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ1

SWAP E NOT NOT E E NOT NOT NOT NOT E E NOT NOT NOT NOT E

E NOT NOT NOT NOT E E NOT NOT EE NOT NOT E E NOT NOT E

1

1 0 0 0 0

0 2 0 0 0 0

0 0 1 0 01

0 0 1 0 02

0 0 0 0 2 0

0 0 0 0 1

i

i

iNOT

ii

i

i

2

1 0 0 0 0

0 2 0 0 0 0

0 1 0 0 01

0 0 0 1 02

0 0 0 0 2 0

0 0 0 0 1

i

i

iNOT

ii

i

i

2 0 0 0 0 0

0 1 1 0

0 1 1 01

0 1 1 02

0 1 1 0

0 0 0 0 0 2

i

i i

i iSWAP

i ii

i i

i

Page 13: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Реализация CNOT

Для матриц 4х4 квантовый вентиль XOR представляется в виде

Аналогично, прямое вычисление показывает, что для матриц 6х6

есть оператор контролируемого изменения фазы

1 2 1 22 2ˆˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( ) 1Z Z SWAP Z SWAP

2

1 2 1 22 2ˆˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( ) 1Z Z SWAP Z SWAP

0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0ˆ0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 1

1

Π =

Page 14: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Реализация CNOT

Далее представляется возможным найти оператор CNOT:

где – преобразование

Адамара

1 2 1 2ˆˆ ˆˆ ˆ1 1CNOT H H Π

1 2

1 0 1 0 0 0

0 2 0 0 0 0

1 0 1 0 0 01ˆ ˆ12 0 0 0 1 0 1

0 0 0 0 2 0

0 0 0 1 0 1

H

Page 15: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Заключение

Подробно рассмотрена двухкубитовая квантовая операция CNOT в одном из наиболее актуальных для будущего вариантов твердотельных квантовых компьютеров – на квантовых точках без перемещения заряда

Этот шаг является необходимым для удовлетворения всем условиям создания квантового компьютера

Page 16: Филиппов С.Н. ¹ ׳ ² , Вьюрков В.В. ²

50-я юбилейная научная конференция МФТИ

Эпилог

С

Спасибо за внимание!