Исследование квантовой интерференции и диполь-дипольного взаимодействия ридберговских атомов для применения в квантовых компьютерах

• Автор: Третьяков, Денис Борисович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 123 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава I Использование ридберговских атомов для реализации логических элементов квантового компьютера
1.1. Свойства ридберговских атомов
1.2. Принципы квантовых вычислений
1.3. Схема двухкубитовой операции с использованием ридберговских состояний
1.4. Оптимальные экспериментальные параметры для реализации двухкубитовых логических операций
1.5. Выводы
Глава II Метод штарковского переключения уровней для управления
взаимодействием ридберговских атомов с резонансным излучением
2.1. Цель и постановка задачи
2.2. Теоретическое описание интерференционных биений рамзеевского типа
2.3. Экспериментальная установка для наблюдения биений Рамзея в ридберговских атомах натрия
2.4. Сравнение экспериментальных результатов с численными расчетами
2.5. Выводы
Глава III Микроволновая спектроскопия ансамбля нескольких ридберговских атомов
3.1. Теория и численный расчет спектров двухатомной квазимолекулы
3.2. Экспериментальное исследование коллективных состояний ансамбля нескольких ридберговских атомов
3.3. Многоатомные спектры микроволновых переходов 3781/2 —> 37Р]/2 и 3781/2 —> 388]|/2 в атомах натрия
3.4. Выводы
Глава IV Исследование диполь-дйпольного взаимодействия и статистики
регистрации для малого числа ридберговских атомов
4.1. Цель и постановка задачи
4.2. Обменно-резонансные переходы и статистика регистрации в ансамблях с малым числом ридберговских атомов
4.3. Экспериментальная установка для наблюдения обменно-резонансных
переходов в ридберговских атомах натрия
4.4. Сравнение эксперимента и теории
4.5. Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность темы
Быстрое развитие микро- и нанотехнологий за последние несколько десятилетий привело к уменьшению размеров элементов вычислительных устройств и вызвало у исследователей закономерный вопрос: что придет на смену классическим
вычислительным машинам, когда размер элемента компьютера (транзистора) станет приближаться к атомным размерам? В связи с этим появилась идея создания «квантового компьютера», как вычислительного устройства, использующего при вычислениях квантовые объекты в качестве элементарных ячеек памяти и законы квантовой механики для выполнения логических операций [1]. Принцип работы такого компьютера должен коренным образом отличаться от принципа работы обычного классического компьютера. Например, все его логические элементы должны быть обратимы; то есть, во-первых, количество входов и выходов логического элемента должно быть одинаково, а во-вторых, при замене соответствующих входов на выходы действие логического элемента должно оставаться прежним [к примеру, операция НЕ (инверсия) является обратимой]. Данное свойство квантовых логических элементов следует из симметрии уравнений квантовой механики по отношению к изменению знака времени [1].
В общем случае, квантовый компьютер (КК) должен обладать следующими свойствами [2]:
1) Он должен состоять только из квантовых объектов, способных находиться, по крайней мере, в двух дискретных состояниях. Эти состояния обозначаются О и 1, а сами объекты представляют собой физические носители отдельных квантовых битов, или кубитов. В отличие от классического бита, кубит может находиться в квантовой суперпозиции состояний 0 и I.
2) Для полноценного функционирования КК число кубитов должно быть от 100 до 1000 [3].
3) Скорость распада когерентности (декогерентизации) состояний кубитов должна быть в 104 т Ю5 раз меньше, чем скорость выполнения одной элементарной логической операции.

лазеров от частота перехода свободного атома из основного состояния |0 в |428>. В первом случае при одновременном воздействии на атомы лазерным излучением на частоте перехода |Э> —» |42Б> может возбудиться только один из атомов (эффект дипольной блокады). Длительность лазерных импульсов подбирается таким образом, чтобы атомы вернулись в основное состояние с измененным знаком волновой функции. Во втором случае при одновременном воздействии на атомы лазерным излучением возбуждается коллективный уровень [42Б, 42Б>. При небольшой отстройке суммарной частоты возбуждающих лазеров от перехода |СС>—> |42Б, 42Б>, после взаимодействия излучения с атомами в итоге появляется набег фазы двухатомной волновой функции.
Наконец, в работе [30], также как и в [20], рассматривается схема, в которой два атома первоначально возбуждаются в одно и то же ридберговское состояние «Б, лежащее почти посередине между соседними состояниями (п - 1)Р и пР. Для усиления ДДВ между атомами предлагается прикладывать внешнее постоянное электрическое поле, которое подстраивало бы переходы пБ —> {п - 1)Р и пБ —» дР в резонанс под действием эффекта Штарка. Далее используется та же схема операций, что и в работе [25].
К основным особенностям нашей схемы и схем других авторов относятся:
- для случая дипольной блокады [20, 25, 30] отсутствуют механические силы при ДДВ атомов, которые могут изменять расстояние между атомами за время взаимодействия;
- схемы с дипольной блокадой [20, 25, 30] также нечувствительны к флуктуациям расстояния между атомами;
- использование только одной частоты возбуждающего лазерного излучения в схеме [25];
- отсутствие необходимости усиления ДДВ прикладыванием внешнего электрического поля для подстройки переходов в резонанс в схеме [25] и нашей схеме;
- использование в схемах [20,30] и нашей схеме неводородоподобных ридберговских состояний с малым орбитальным моментом, которые могут возбуждаться простыми одно- и двухступенчатыми переходами (кроме того,