High spin paramagnetic ions as qubits and qutrits without magnetic fields.pdf Введение В последнее время квантовая информатика и квантовые вычисления достигли значительных, главным образом, теоретических успехов. Разрабатываются квантовые алгоритмы, предлагаются различные варианты архитектуры квантовых компьютеров и различные физические реализации кубитов [1], кутритов и других элементов более высокого порядка. Существует много различных предложений для физической реализации квантового компьютера [2-8], и все они определяются физикой их кубитов и природой взаимодействий между кубитами. Например, использование полимерных систем [9], представление кубита с помощью магнитного потока через сверхпроводящий контур [10] или использование в качестве кубитов электронов на поверхности жидкого гелия. Однако для практической реализации многих предложенных физических систем обработки квантовой информации требуются очень дорогие, сложные и, как правило, ненадежные физические и технические методы, например, сверхнизкие температуры, сверхсильные магнитные поля, сверхглубокий вакуум, сложные лазерно-оптические методы охлаждения. Поэтому наиболее перспективными считаются твердотельные квантовые компьютеры. Это область активных исследований и ожидается, что будет легче масштабировать твердотельную систему до большого количества кубитов. Одним из вариантов является использование заряда и спина электрона в квантовых точках [11], но использование заряда в качестве кубита приводит к очень малым временам когерентности (10-10-10-13 с) из-за сильного взаимодействия с окружающей средой и флуктуаций потенциала, создаваемых внешними зарядами. В данной работе предлагается использовать в качестве элементов квантового компьютера парамагнитные ионы с суммарным электронным спином S = 1 и с нулевым ядерным спином в простой кубической или тетрагональной кристаллической решетке. В отсутствие внешнего магнитного поля (в нулевом магнитном поле) диполь-дипольное и спин-орбитальное взаимодействия устраняют вырождение уровней с суммарным спином SZ = 0 и SZ = ±1 [12, 13]. Такое расщепление уровней в нулевом магнитном поле позволяет отказаться от использования сильных магнитных полей для реализации спиновых кубитов или кутритов. В зависимости от типа ионов и кристаллической решетки расщепление в нулевом поле, как правило, попадает в технически доступные радиочастотные или микроволновые диапазоны электромагнитного поля. Магнитная компонента таких полей способна индуцировать переходы между энергетическими уровнями с различными значениями SZ. Ранее кристаллы с примесными высокоспиновыми ионами в нулевом магнитном поле были предложены в качестве активных сред для микроволновых мазеров [14]. Создание таких мазеров сопровождалось развитием радиотехнических методов управления спиновыми состояниями ионов. Активными примесными ионами могли быть ионы Ni2+, Fe3+, Cr2+, Gd3+ и другие лантаноиды с различными наборами спиновых и энергетических уровней. Очевидно, что применение низких температур позволяет управлять исходными населенностями спиновых подуровней и временами спиновой релаксации и декогеренции. Цель данной работы - описание импульсных последовательностей микроволновых и радиочастотных полей, способных реализовать элементарные операции алгоритмов квантовых вычислений и квантовой информатики с использованием высокоспиновых парамагнитных ионов в нулевом магнитном поле. Спиновая динамика высокоспиновых ионов В твердом теле их спиновые состояния определяются кристаллическим полем или полем лигандов и спин-орбитальным взаимодействием. В нулевом магнитном поле спиновые состояния ионов с двумя неспаренными электронами и с суммарным спином S = 1 в кристаллах с одноосной анизотропией описываются спиновым гамильтонианом [12] , (1) где D - параметр расщепления в нулевом поле, который определяется спин-орбитальным взаимодействием. Собственными состояниями этого гамильтониана являются спиновые векторы , и . При низких температурах kT

Скачать электронную версию публикации