Квантовий комп'ютер на основі ядерного магнітного резонансу

Квантові обчислення із використанням ядерного магнітного резонансу ^[1] – це один з підходів до побудови квантового комп'ютера, який використовує спінові стани ядер у молекулах як кубіти (квантові регістри). Квантові стани отримуються за допомогою ЯМР, що дозволяє реалізувати систему як варіацію спектроскопії ядерного магнітного резонансу. Цей підхід відрізняється від інших реалізацій квантових комп'ютерів тим, що використовує ансамбль молекул.

Молекула аланіну, що використовується в реалізації квантових обчислень за допомогою ЯМР . Кубіти реалізуються спіновими станами чорних атомів вуглецю.

Початковий підхід полягає у використанні спінових властивостей атомів певних молекул як кубітів у рідкому середовищі – це відомо як рідкофазний ЯМР (LSNMR). З того часу цей підхід був замінений твердофазним ЯМР (SSNMR) як технічна база для здійснення квантових обчислень.

На ілюстрації представлено молекулу Аланіну, яка може бути використана як основа для 3-кубітного квантового комп'ютера ^[2], де метильний вуглець (Cβ), альфа-вуглець (Cα) та карбоксильний вуглець (C') слугують як кубіти 1, 2 та 3 відповідно. Ці ядра ¹³C використовуються як кубіти, а їхні спінові стани керуються за допомогою радіовипромінювання (RF-pulses) і зчитуються методами ЯМР (Readout). Міжспінові взаємодії (J-coupling) створюють Сплутані квантові стани (квантова сплутаність). Три кубіти забезпечують достатній з практичної точки зору випробувальний майданчик для протоколів обробки квантової інформації.

ЯМР в рідкому стані

Квантові обчислення на цій основі базуються на молекулах, в якій деякі ядра її атомів поводяться як системи із спіном ½. В залежності, яке ядро ми розглядаємо, будемо мати різні енергетичні рівні та різну взаємодію ядра зі сусідніми ядрами. Тому їх можна розглядати як кубіти (Qubits, квантові біти інформації). У цій системі можна розглядати міжатомні зв'язки як джерело взаємодій між кубітами і використовувати ці взаємодії для представлення 2-кубітних вентилів, таких як CNOT. Цей вентиль служить одним з базових в універсальних квантових обчисленнях. При транспіляції високорівнева квантова програма (Quantum Circuit) проходить перетворення представлення у базисні операції, RX, RY, RZ, CX (CNOT), цей процес дає змогу інженеру-програмісту використовувати різні апаратні платформи для подальшого запуску квантової програми. На додаток до спін-спінових взаємодій можна застосувати зовнішнє магнітне поле і це дає вентилі (Quantum Gates) з одним кубітом (повороти навколо однієї з осей, X, Y, Z). Ці вентилі грають ключову роль в квантовому машинному навчанні.

ЯМР у твердому стані

Твердотільний ЯМР (SSNMR), на відміну від LSNMR, використовує твердотільний зразок, наприклад, діамантову ґратку з вакансіями азоту.^[3] Це має наступні переваги: відсутність декогеренції молекулярної дифузії, можливість досягнення нижчих температур до точки придушення фононної декогеренції та більша різноманітність операцій керування. Більше того, оскільки в кристалічній структурі ми можемо точно локалізувати кубіти, ми можемо вимірювати кожен кубіт окремо, замість ансамбльового вимірювання, як у LSNMR. Обмеженням сучасної технології є необхідність ручного пошуку кубітів із використанням електронному мікроскопії. Компанія Quantum Brilliance (Німеччина) станом на 2025 рік намагається здійснити прорив в цьому напрямку ^[4][5].