XI. REALIZACJA FIZYCZNA OBLICZEŃ KWANTOWYCH Janusz Adamowski 1
Rysunek 1: Elektrody (bramki) definiujące elektrostatyczną boczną kropkę kwantową. Fotografia otrzymana przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. 1 Wstęp Obecnie w laboratoriach naukowych prowadzone są intensywne badania nad przyrządami, które mogą wykonywać kwantowe operacje logiczne. Niepełna lista tych przyrządów obejmuje: przyrząd fotonowy, bazujący na nieliniowym efekcie Kerra, optyczne wnęki rezonansowe, mikrofalowe wnęki rezonansowe, pułapki jonowe, wnęki atomowe, bazujące na elektrodynamice kwantowej, atomowe kondensaty Bosego-Einsteina, urządzenia oparte na magnetycznym rezonansie jądrowym, obwody nadprzewodzące ze złączami Josephsona, kropki kwantowe. 2 Kropki kwantowe Na wykładzie tym przedstawię wybrane zagadnienia z zakresu badań nad możliwościami zastosowań sprzężonych kropek kwantowych do realizacji kwantowych operacji logicznych.
Rysunek 2: Pionowe kropki kwantowe. Czarna obwódka (pierścień) pokazuje elektrodę bramki, górne pokrycie nanostruktury metalem stanowi elektrodę źródła (drenu). Średnica pierścienia 5 nm. Rysunek 3: (a) Schemat podwójnych sprzężonych kropek kwantowych. Kropki kwantowe tworzą się w warstwie dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG). Szare pola pokazują obszary wypełnione elektronami. Bramki definiujące (b) pojedynczą kropkę kwantową, (c) podwójną kropkę kwantową. I DOT = prąd płynący przez kropki, I QP C = prąd mierzony przez kwantowy kontakt punktowy. 2
Rysunek 4: (a) Bramki definiujące dwie sprzężone kropki kwantowe oraz kwantowe kontakty punktowe (QPC-L, QPC-R). (b) Układ warstw pod bramkami. Uwięzienie elektronów w kropkach kwantowych występuje w wąskim obszarze dolnego heterozłącza GaAs/AlGaAs - UNDOPED. Rysunek 5: (a) Bramki definiujące dwie sprzężone kropki kwantowe oraz kwantowe kontakty punktowe (QL i QR). (b) Wyniki pomiarów przewodności różniczkowej w funkcji napięć przyłożonych do bramek L i P R. Liczby mn (m, n =, 1, 2) oznaczają stany ładunkowe kropek lewej m i prawej n. 3
Rysunek 6: Schemat nieniszczącego pomiaru spinu pary elektronowej w stanie singletowym S i trypletowym T. Rysunek 7: Wyniki nieniszczącego pomiaru spinu pary elektronowej dla singletu S i trypletu T. 4
Rysunek 8: Schemat potrójnej kropki kwantowej. Rysunek 9: Poczwórna kropka kwantowa. 5
Rysunek 1: Profil energii potencjalnej elektronu w nanourządzeniach A i B. 3 Manipulacja stanami spinowymi pary elektronowej w poczwórnej kropce kwantowej A. Kwaśniowski and J. Adamowski, Phys. Rev. B 82 (21) 24536. Rozważamy dwa nanourządzenia, oznaczone symbolami A i B, zawierające cztery sprzężone kropki kwantowe. Kropki prawe (wyjściowe) są asymetryczne. Asymetrię tę wprowadzamy przyjmując różne rozmiary i głębokości studni potencjału dla prawych kropek. Energia potencjalna uwięzienia elektronu w poczwórnej kropce kwantowej w modelu 2D U c (r) = Uµν exp{ [(r r µν) 2 /Rµν] 2 p/2 }, (1) µν r = (x, y), µ = l, r, ν = 1, 2 Uµν = głębokość studni potencjału dla kropki QD(µν) (Uµν > ) R µν = zasięg potencjału uwięzienia, który określa rozmiar kropki QD(µν) r µν = wektor położenia centrum kropki QD(µν) parametr p 2 określa twardość potencjału uwięzienia (nachylenie ścian) Dla p < 4 mamy do czynienia z potencjałem miękkim, a dla p 4 potencjał staje się twardy. W tych obliczeniach p = 4. W nanourządzeniu A, potencjał uwięzienia elektronów może być zmieniany przez zmianę napięć bramek definiujących poczwórną kropkę kwantową. W obliczeniach przyjmujemy, że głębokości lewych studni potencjału są takie same. Wprowadzamy minimalną energię W elektronu w lewych studniach potencjału, przy czym W Ul1 = Ul2. Jeżeli napięcie bramek definiujących lewe kropki zmieni się o V g, to energia W zmieni się o W = α V g, 6
gdzie α jest współczynnikiem konwersji napięcie-energia. W nanourządzeniu B, potencjał uwięzienia może być modyfikowany przez zmianę napięcia V przyłożonego pomiędzy elektrodami e l i e r, które mogą być elektrodami źródła i drenu. Elektrody e l i e r wytwarzają pole elektryczne F = ( F,, ), gdzie F = V/L, a L jest odległością pomiędzy elektrodami. Zakładamy, że pole elektryczne F jest jednorodne. W zewnętrznym polu elektrycznym F, elektron posiada dodatkową energię potencjalną U(r) wyrażoną wzorem for x < L/2, U(r) = ef x ev/2 for x L/2, (2) ev for x > L/2. Jako energię odniesienia (zero na skali energii) przyjmujemy potencjał elektrochemiczny µ l lewej elektrody, tzn. kładziemy µ l =. Definiujemy całkowitą energię potencjalną elektronu jako U = U c + U. Preparacja stanu początkowego Energia potencjalna elektronów w lewych kropkach jest ustalona na niższym poziomie niż w prawych kropkach. Zapewnia to lokalizację elektronów w lewych kropkach w stanie początkowym. Badamy zmiany lokalizacji pary elektronowej w poczwórnej kropce kwantowej spowodowane zmianami profilu potencjału uwięzienia, które z kolei wynikają z kontrolowanych zmian napięć przyłożonych do elektrod bramek oraz źródła i drenu. W tym celu rozwiązujemy numerycznie jedno- i dwulelektronowe problemy własne. Jednoelektronowy hamiltonian ma postać h j = 2 2m e 2 j + U(r j ), (3) gdzie j = 1, 2, a m e jest efektywną masą pasmową elektronu w pasmie przewodnictwa. Obliczamy jednoelektronowe orbitale ϕ ν (r) i jednoelektronowe poziomy energetyczne E ν, gdzie ν oznacza zbiór orbitalnych liczb kwantowych. Uzupełniamy te orbitale o funkcje własne χ σ z-owej składowej spinu elektronu otrzymując spinorbitale ψ νσ (r) = ϕ ν (r)χ σ, gdzie σ jest spinową liczbą kwantową. 7
Rysunek 11: Energia potencjalna U elektronu w poczwórnej kropce kwantowej w funkcji współrzędnej x dla y ustalonego dla wartości odpowiadających odcinkom łączącym centra par kropek l1 r1 i l2 r2 dla nanorządzenia A (a) i B (b). Krzywe niebieska (czerwona) pokazują profile energii potencjalnej dla stanu początkowego (i) i końcowego (f). Następnie rozważamy układ dwuelektronowy opisany za pomocą hamiltonianu e 2 H = h 1 + h 2 + 4πε ε s r 1 r 2, (4) gdzie ε s jest statyczną przenikalnością elektryczną. Dwuelektronowy problem własny rozwiązywany jest metodą mieszania konfiguracji (CI) przy użyciu wyznaczników Slatera Φ k (r 1, r 2 ) = 1 2 [ψ νσ (r 1 )ψ ν σ (r 2) ψ νσ (r 2 )ψ ν σ (r 1)], (5) gdzie k numeruje różne konfiguracje dwuelektronowe (νσν σ ). Funkcja falowa w metodzie CI ma postać Ψ(r 1, r 2 ) = K c k Φ k (r 1, r 2 ), (6) k=1 gdzie K jest całkowita liczbą konfiguracji uwzględnianych w obliczeniach. W obliczeniach przyjęliśmy K = 36 dla nanoukładu A i K = 81 dla nanoukładu B. Dla dwóch elektronów w poczwórnej kropce kwantowej obliczone zostały energie najniższych poziomów singletowego (E S ) i trypletowego (E T ). Przy braku zewnętrznego pola magnetycznego trzy stany trypletowe (T, T ± ) są zdegenerowane. A zatem mamy do czynienia z potrójnie zdegenerowanym poziomem trypletowym E T. Lokalizację pary elektronowej w poczwórnej kropce kwantowej można opisać za pomocą jednoelektronowej gęstości prawdopodobieństwa, która 8
(a) -3 E E 1 E 2 E [mev] -35-4 -6 (b) W W 1 W 2 W 3 1.5 E S E TJ 1 E [mev] -7 J [mev].5-8 -45 W W 1 W 2 W 3-4 -35-3 -25 W [mev] Rysunek 12: (a) Poziomy energetyczne E, E 1 i E 2 stanów jednoelektronowych ϕ, ϕ 1 i ϕ 2 w funkcji energii W dna lewych studni kwantowych dla nanourządzenia A. (b) Energie stanów singletowego (E S, czerwona krzywa) i trypletowego (E T, niebieska krzywa) oraz energia wymiany J = E T E S (zielona krzywa) jako funkcje W dla nanorządzenia A. zdefiniowana jest jako 2 ϱ(r) = j=1 d 2 r 1 d 2 r 2 Ψ (r 1, r 2 )δ(r r j )Ψ(r 1, r 2 ). (7) Implementacja bramki XOR Definiujemy bazę obliczeniową dla pojedynczych kubitów spinowych. Są to spinory α, β, (8) czyli stany własne operatora z-owej składowej spinu elektronu odpowiadające wartościom własnym + /2 and /2. Konstruujemy dwukubitową bazę obliczeniową ze stanów α i β. Stany początkowe Lewe (wejściowe) kropki kwantowe są pojedynczo obsadzone elektronami. Para elektronowa posiada następujące stany o najniższej energii: S a i = 1 2 [ α(1) l1 β(2) l2 α(2) l1 β(1) l2 ], (9) S b i = 1 2 [ β(1) l1 α(2) l2 β(2) l1 α(1) l2 ], (1) T + i = α(1) l1 α(2) l2, (11) 9
-3 (a) -35 E [mev] -4-45 E E 1 E 2-5 -55 F = F 1 F 2 F 3 (b) 2-8 1.5 E [mev] -9 1 J [mev] E S E TJ -1.5 F = F 1 F 2 F 3.25.5.75 1 F [kv/cm] Rysunek 13: (a) Poziomy energetyczne E, E 1 i E 2 stanów jednoelektronowych ϕ, ϕ 1 i ϕ 2 w funkcji pola elektrycznego F dla nanourządzenia B. (b) Energie stanów singletowego (E S, czerwona krzywa) i trypletowego (E T, niebieska krzywa) oraz energia wymiany J = E T E S (zielona krzywa) w funkcji pola elektrycznego F dla nanorządzenia B. T i = β(1) l1 β(2) l2, (12) gdzie S a,b i i T +, i oznaczają odpowiednio stany singletowe i trypletowe, (1) i (2) są skrótowymi oznaczeniami zmiennych spinowych elektronów 1 i 2, a wskaźniki l1 i l2 oznaczają lokalizację elektronów odpowiednio w kropkach QD(l1) i QD(l2). Stany końcowe Po zastosowaniu odpowiednich napięć zewnętrznych elektrony tunelują do prawych kropek. Dla nanourządzeń A lub B opisanych parametrami z obszaru II elektrony obsadzają następujące stany kwantowe o najniższych energiach: S f = 1 2 [ α(1) r2 β(2) r2 α(2) r2 β(1) r2 ], (13) T + f = α(1) r1 α(2) r2, (14) T f = β(1) r1 β(2) r2. (15) Po zamianie wskaźników r1 i r2 we wzorach (13), (14) i (15) otrzymamy stany końcowe elektronów w nanourządzeniach opisanych parametrami z obszaru IV. W rezultacie wykonane zostały następujące operacje: S a i S f, (16) S b i S f, (17) T + i T + f, (18) 1
15 (a) singlet W (b) triplet W 75-75 (c) W 1 (d) W 1 75-75 (e) W 2 (f) W 2 75-75 (g) W 3 (h) W 3 75-75 -15-15 -75 75 15 x [nm] -15-75 75 15 x [nm] Rysunek 14: Kontury gęstości jednoelektronowej na płaszczyźnie x y dla singletu (lewa strona) i trypletu (prawa strona) w nanourządzeniu A. Pokazane są wyniki dla wartości W = W, W 1, W 2, W 3 zaznaczonych na rysunku 1.12. Dwa alternatywne położenia kwantowych kontaktów punktowych zaznaczone są jako i. Pomiar ładunku elektrycznego jednej z prawych kropek pozwala na jednoznaczne wyznaczenie stanu spinowego pary elektronowej. 11
15 (a) singlet F (b) triplet F 75-75 (c) F 1 (d) F 1 75-75 (e) F 2 (f) F 2 75-75 (g) F 3 (h) F 3 75-75 -15-15 -75 75 15 x [nm] -15-75 75 15 x [nm] Rysunek 15: Kontury gęstości jednoelektronowej na płaszczyźnie x y dla singletu (lewa strona) i trypletu (prawa strona) w nanourządzeniu B. Pokazane są wyniki dla wartości pola elektrycznego F = F, F 1, F 2, F 3 zaznaczonych na rysunku 1.13. Dwa alternatywna położenia kwantowych kontaktów punktowych zaznaczone są jako i. Pomiar ładunku elektrycznego jednej z prawych kropek pozwala na jednoznaczne wyznaczenie stanu spinowego pary elektronowej. 12
12 8 4 (a) l1 r1 (b) l1 r1-4 -8-12 l2 r2 l2 r2 singlet 12 8 4 (c) l1 r1 (d) l1 r1-4 -8-12 l2 r2 l2 r2 triplet -2-1 x [nm] 1-1 x [nm] 1 2 Rysunek 16: Kontury gęstości jednoelektronowej na płaszczyźnie x y dla singletu [(a) i (b)] i trypletu [(c) i (d)] w nanourządzeniu A. Widać, że obsadzenie prawych kropek kwantowych przez elektrony jest takie samo w każdym stanie spinowym, ponieważ rozmiar kropki QD(r2) jest albo za mały [(a), (c)] albo za duży [(b), (d)]. 12 8 4 (a) l1 r1 (b) l1 r1-4 -8-12 l2 r2 l2 r2 singlet 12 8 4 (c) l1 r1 (d) l1 r1-4 -8-12 l2 r2 l2 r2 triplet -2-1 x [nm] 1-1 x [nm] 1 2 Rysunek 17: Kontury gęstości jednoelektronowej na płaszczyźnie x y dla singletu [(a) i (b)] i trypletu [(c) i (d)] w nanourządzeniu B Widać, że obsadzenie prawych kropek kwantowych przez elektrony jest takie samo w każdym stanie spinowym, ponieważ rozmiar kropki QD(r2) jest albo za mały [(a), (c)] albo za duży [(b), (d)]. 13
Rysunek 18: Obszary I-V parametrów R r1 i Ur1 charakteryzujących kropkę QD(r1). Prawa górna wstawka pokazuje w sposób schematyczny lokalizację elektronów o różnych spinach w prawych (wyjściowych) kropkach. W obu nanourządzeniach w obszarach II i IV (szare pola) lokalizacja elektronów w prawych kropkach jest jednoznacznie określona przez ich stany spinowe. Lewa górna wstawka pokazuje powiększenie prostokątnego obszaru na głównym rysunku. Krzywe czerwone (zielone) pokazują granice obszarów I-V dla nanourządzenia A (B). 14
a) b) X Y Z (1) (1) (2) 1 1 (3) 1 1 (4) 1 1 (3) (2) (4) Rysunek 19: (a) Tabela prawdy bramki logicznej XOR. (b) Lokalizacja elektronów w stanach spinowych i pokazana schematycznie dla stanu początkowego (strzałki niebieskie) i końcowego (strzałki czerwone) operacji (1-4) zdefiniowanych na rysunku (a). Wyniki (b) otrzymano dla nanourządzenia A z parametrami z obszaru II. T i T f. (19) Podczas tych operacji całkowity spin pary elektronowej jest zachowany. Wynikiem operacji (16), (17), (18) i (19) jest transformacja czterech kubitów wejściowych (początkowych) (9), (1), (11), (12) w trzy kubity wyjściowe (końcowe) (13), (14), (15). W nanourządzeniach A i B o parametrach z obszaru II wszystkie inne stany końcowe posiadają energie wyższe od energii stanów (13), (14), (15). Np. stan singletowy o postaci S f = 1 2 [ α(1) r1 β(2) r2 α(2) r1 β(1) r2 ] (2) nie jest stanem podstawowym w nanourządzeniach o parametrach z obszaru II. Jednakże stan (2) oraz inne stany z obsadzeniem prawych kropek różnym od podanego wzorami (13), (14) i (15) mogą się pojawiać jako stany podstawowe w nanourządzeniach opisanych parametrami z obszarów I, III i V (por. rysunek (18)). W tabeli prawdy [rysunek (19) (a)] X i Y oznaczają wejściowe wartości logiczne, a Z jest wyjściową wartością logiczną. Wejściową wartość logiczną (1) kodujemy jako stan spinowy ( ) elektronu zlokalizowanego w jednej z lewych kropek. Po wykonaniu operacji kwantowy kontakt punktowy () mierzy ładunek elektryczny kropki QD(r1) (QD(r2)). Wynikowe wartości logiczne Z = (1) zdefiniowane są jako stany ładunkowe q(r1) prawej kropki kwantowej QD(r1) następująco: jeżeli q(r1) =, to Z = 1, 15
jeżeli q(r1) = e, to Z =. W przypadku użycia kwantowego kontaktu punktowego do mierzenia ładunku elektrycznego kropki QD(r2) wynikowe wartości logiczne zdefiniowane są następująco: jeżeli q(r2) = 2e, to Z = 1, jeżeli q(r2) = e, to Z =. Wnioski Nanourządzenia A i B z parametrami dobranymi z obszarów II i IV wykonują operacje logicznej bramki XOR (por. tabela prawdy, rysunek (19) (a)). Operacje te można zapisać jako X l1 Y l2 Z = X Y r1, (21) gdzie jest dodawaniem modulo 2. Kubit wynikowy Z r1 jest mierzony za pomocą kwantowego kontaktu punktowego jako stan ładunkowy kropki QD(r1). Jeżeli wykonamy pomiar ładunku kropki QD(r2) za pomocą, to kubitem wynikowym jest stan Z = X Y r2. = Nanourządzenia A i B opisane parametrami z obszarów II i IV wykonują operacje klasycznej bramki logicznej XOR. Odpowiednia kwantowa bramka logiczna XOR jest zdefiniowana jako X Y X Z = X Y. (22) Jest to dwukubitowa bramka logiczna równoważna bramce CNOT. Można zauważyć, że stany wynikowe Z operacji (21) i (22) są identyczne, natomiast kubit kontrolny X nie pojawia się w wyniku klasycznej operacji (21). Podsumowanie wyników dla poczwórnych kropek kwantowych w poczwórnej kropce kwantowej o odpowiednio dobranych parametrach można zrealizować transformację początkowo spreparowanego stanu spinowego pary elektronowej w końcowy stan spinowy o jednoznacznie określonej lokalizacji elektronów możliwe jest w pełni elektryczne sterowanie operacjami logicznymi na kubitach spinowych elektryczny odczyt końcowego stanu spinowego (konwersja spinładunek) poczwórna kropka kwantowa jest obiecującym nanoukładem do operacji logicznych: stany wejściowe i wyjściowe (wynikowe) dobrze określone i rozdzielone przestrzennie (kropki lewe i prawe) 16
4 Perspektywy obliczeń kwantowych Komputer kwantowy??? Najbardziej obiecujące technologie i urządzenia do wytworzenia komputera kwantowego: komputer optyczny obwody nadprzewodzące kropki kwantowe Jednak wybór optymalnej technologii nie został dotąd dokonany. Nanokomputery obliczenia wykonywane w sposób klasyczny (konwencjonalny) możliwa miniaturyzacja klasycznych układów elektronicznych do 1 nm zjawiska kwantowe mają niekorzystny wpływ na działanie nanokomputera, np. prąd tunelowy przez barierę w pewnym zakresie można te zjawiska eliminować, np. wytwarzając warstwy barier z izolatorów o bardzo dużej przenikalności elektrycznej (azotki) możliwe zastosowanie kropek kwantowych w nanokomputerach Kropka kwantowa zawierająca dużą liczbę elektronów (N 2) zachowuje się jak układ (prawie) klasyczny. Np. energia potrzebna do naładowania kropki dodatkowym elektronem E = e2 C, (23) gdzie C jest pojemnością elektryczną kropki. Jeżeli E k B T, (24) to możliwe jest wykonywanie operacji jednoelektronowych w temperaturze T. = zaniedbywalne straty energii i wydzielanie ciepła = duża szybkość operacji logicznych na pojedynczych elektronach O ile nie możemy przewidzieć szybkiej realizacji technicznej (a tym bardziej komercyjnej) komputera kwantowego, to produkty uboczne badań prowadzonych w tym kierunku mają (lub wkrótce będą miały) zastosowania. Są to technologie i urządzenie kwantowe, a w szczególności: 17
tranzystor jednolektronowy tranzystor spinowy jednoelektronowa komórka pamięci litografia kwantowa kryptografia kwantowa 18