Попов_НГТУ-2015 ноябрь 16

План

•Мотивация - смена парадигмы или концепции

•Масштабирование полевого транзистора

(FET оr FinFET)

•Концепция

•Нейроморфные системы

•Квантовые системы

71

0

1

Квантовый бит (кубит)

= a0 | + a1 |

Квантовый регистр для четырех кубитов.

72

Твердотельные структуры для квантовой информатики

Kane B.E. A Silicon-Based nuclear Spin Quantum Computer// Nature, 1998, v.393, N.5, pp.133–137.

single NV’s or in ensemble

Свойства кубитов: алмаз против кремния

• Время релаксации ~ 1 мс для обоих

•центры окраски N, NV: при 300 К

•донорные центры: при 5 К

•Управление одиночным спином

•показано для N, NV-центров

•первые попытки для кремния

•Управление спиновыми регистрами

•показано для NV-центров и двух 13С, 14N,

•не реализовано

•Высококачественные подложки

•до 6 см2 для алмаза + легирование

•пластины до 450 мм диаметром

Mikhail Lukin et al. Collectively Enhanced Interactions in Solid-state Spin Qubits ArXiv: 1210.3622

Алмаз - лучшая среда для квантового компьютинга

Status of diamond relative to DiVincenzo criteria for Quantum Information Processing (QIP):

TD = 1860 K

D. DiVincenzo “Quantum bits: Better than excellent” Nature Mat. 9, 468–469 (2010)

To CCD read matrix

637 nm

	Write line	5±1 nm
	Joerg Wrachtrup “Defect center room-temperature quantum
		74
	processors”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 9479 (2010).

Архитектура управления кубитами на NV-центрах в фотонном кристалле

Магнито-дипольное	Обмен фотонами
взаимодействие	(летающими кубитами)

I.Bayn et al., Diamond and Related Materials; 2010, 20, 7; 937-943

75

Наноструктуры «снизу–вверх»: ансамбли NV центров

NV-s in 30 nm membrane on quartz

[NV] = 5 for 3x1011cm-2

[NF9] = 3x1012cm-2 in 300 nm or 3x1011cm-2 in 30 nm

76

Наноструктуры «снизу–вверх»: ансамбли NV центров

532 nm green laser beam with 300 nm in diameter

3x104

	2x104			solid lens
				planar	NV-
	un.				637 nm
	arb.	10	4
	Intensity,

570	580	590	600	610	620	630	640	650
Твердотельная линза c NV кластером			Wavelength, nm
Травление FIB (Ga+)

5x increase in NV- PL intensity, but we need a regular matrix !

V.P. Popov et al. RFTT-2015 Conf. Proceed., 2015, 147

77

Наноструктуры «снизу–вверх»: ансамбли NV центров

Число NV центров в пике -	NNV’s:
425 m	1	500
1,0x104	2	1000
	3	1500

8,0x10	3
6,0x10		3
4,0x10			3

42000

52500

… …

1050000

	2,0x10	3
		0
		10
		X/10,	20
			nm	30
425 m				40

Карты интенсивности БФЛ NV- центров в конфокальном

	10
50	0

лазерном

		50
		40
	30
20		nm
	Y/10,

микроскопе (КЛМ)

Пики ФЛ NV- кластеров [CNV]s =. 3x106 cm-2 с <NNV> = 1÷10 шт.

	среднее расстояние R между пиками R ≈ 1.6 x10-4 cm = 1.6		m	78
	V.P. Popov, et al. . ICW-2010, Kyoto 2010	V Popov. et al. Proseed. ISI-2015 Int. Conf. Moscow (2015)

Телепортация состояний летающими кубитами

•Refractive index contrast is needed for photon confinement

•However, thin (~200nm) single-crystal diamond membranes are

NOT (commercially) available!

•High-quality single crystal diamond can only be grown on diamond substrate 

(Exception is growth on iridium/yttria-stabilized zirconia films: recent work by U. Augsburg and U. Saarlandes groups)

M. Lonchar’s Approach:

Thin, single-crystal,FIB diamond films realized using etching

n1

n2

n2

n3

A. Faraon et al, Nat. Photon. 5 (2011)

B. Hausmann et al, CLEO 2011; B. Hausmann et al, arxiv: 1111.5330v1				79

Экспериментальная проверка неравенства Белла запутыванием состояний NV центров летающими кубитами

Схема событие-готовность

[an event-ready scheme],

позволяет генерировать с высокой повторяемостью запутанность между удаленными электронными спинами. Эффективное считывание спина позволяет избежать предположения выборки (лазейка обнаружения), в то время как использование быстрого случайного выбора базиса и считывания в сочетании с пространственным разделением в 1,3 км обеспечивает необходимые условия локальности.

R Hansen et al. Nature 000, 1-5 (2015) doi:10.1038/nature15759

80