Кубит на основе композитного материала РММА+Ag

Полезная модель относится к компьютерным системам и может быть использована при создании кубитов, при селективном возбуждении одного из которых непрерывным УФ-излучением возможна резонансная передача энергии на большие расстояния.
31
Известны различные типы конструирования кубитов. Кубит можно представить как одиночный фотон с двумя ортогональными поляризациями. Такие системы из фотонного и атомного кубитов в резонаторе исследуется в резонаторной квантовой электродинамике [D. Bouwmeester, A.K. Ekert, A. Zeilinger, The Physics of Quantum Information, Berlin: Springer 2000]. Реализация кубита также возможна на ядерных спинах атомов P в кристаллическом кремнии [B.E. Kane. A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature, Vol. 393. - P. 133-137, 1998].
31
31
28
31
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является реализация кубита на ядерных спинах атомов P в кристаллическом кремнии [B.E. Kane. A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature, Vol. 393, P. 133-137, 1998]. Для этого использовалась одномерная цепочка атомов фосфора Р, погруженных в бесспиновый диэлектрический кристалл кремния Si, охлажденный до температур порядка 1 мК. Квантовой динамикой ядерного и электронного спинов атомов Р можно управлять методами импульсного ядерного и электронного магнитного резонанса. Селективный доступ к отдельному атому достигается настройкой его резонансных частот путем управления электронной структурой атома электрическими полями на наноэлектродах. Для построения такой структуры необходимо использовать методы нанотехнологий с атомным разрешением, это представляет трудности при практической реализации данной модели, что является недостатком.
В данной полезной модели будет показано, что при селективном возбуждении одного из кубитов, представляющих собой фрагмент композитного материала полиметилметакрилата с наночастицами серебра в полимерной матрице (PMMA+Ag) с квазинулевым показателем преломления, непрерывным УФ-излучением возможна резонансная передача энергии на большие расстояния.
-3
На фиг. 1 схематично показана схема предлагаемой полезной модели, которая может быть использована для реализации резонансной передачи энергии на большие расстояния при селективном возбуждении одного из кубитов непрерывным ультрафиолетовым излучением. Структура кубита включает в себя следующие конструктивные элементы: 1 - матрица из полимера с показателем преломления , 2 - наночастица серебра. Кубит представляет собой фрагмент композитного материала PMMA+Ag с квазинулевым показателем преломления [O.N. Gadomsky, N.M. Ushakov. Optics of media with quasi-zero refractive index. Fundamentals, nanotechnologies and applications, OmniScriptum GmbHCo.KG, Germany, 2015] с одной наночастицей серебра. Этот фрагмент представляет собой цилиндр из полимера с показателем преломления , высотой  нм, радиусом основания  нм. Такие размеры цилиндра обусловлены тем, что среднее расстояние между наночастицами равно  нм. Т.к. при 5%-м весовом содержании серебра в полимерной матрице с радиусом наночастиц  нм получим концентрацию наночастиц  см, что соответствует среднему расстоянию между центрами сферических наночастиц  нм [O.N. Gadomsky, N.M. Ushakov. Optics of media with quasi-zero refractive index. Fundamentals, nanotechnologies and applications, OmniScriptum GmbHCo.KG, Germany, 2015].
Характерные отличия заявляемой полезной модели от указанного аналога заключаются в том, что:
(a) Система их двух кубитов, представляющих собой фрагменты композитного материала PMMA+Ag, является идеальным транспортёром энергии от одного кубита к другому на большие расстояния;
(b) Благодаря перепутанности квантовых состояний и когерентности в системе кубитов, обусловленной нулевым показателем преломления системы кубитов, достигается увеличение локального поля в месте кубита-наблюдателя, если индуцирующее поле в месте расположения кубита-индуктора мало;
(c) Простота и дешевизна получения композитного материала PMMA+Ag.
В качестве кубита может быть избрана квантовая система с двумя состояниями  и  с энергией  и , соответственно. Эти базисные функции позволяют представить волновую функцию кубита как:
(1)
где  и  комплексные коэффициенты квантовой суперпозиции, зависящие от времени в поле возбуждения и удовлетворяющие условию нормировки . Возбуждение кубитов с помощью электромагнитных полей позволяет реализовать все состояния с разными значениями инверсии , как разности вероятностей обнаружения кубита в возбужденном и основном состояниях . Напряженность электрического поля  в различных точках наблюдения для двух кубитов определим с помощью известного уравнения:
(2)
где  - напряженность электрического поля внешней волны,  - расстояние между радиус-вектором  внутри сферических кубитов и точкой наблюдения ,  - концентрация свободных электронов кубитов,  -скорость света в среде, окружающей наночастицы серебра,  - электрический дипольный момент кубитов подчиняется следующим уравнениям:
где  - отстройка от резонансной частоты ,  - частота внешнего поля,  - дипольный момент перехода свободных электронов в наночастице серебра,  - равновесное значение инверсии, равное - 1,  - ширина резонанса на частоте ,  - инверсия кубитов.
Рассмотрим случай импульсного облучения внешним полем одного из кубитов, например, кубита 1. С помощью уравнений  определим однокубитовые преобразования, когда , т.е. локальные поля преобразуются во внешнее поле. Пусть длительность импульса значительно меньше времени . Тогда для кубита 1 получим следующие уравнения:
(4)
(5)
Величины  и  определяются как квантово-механические средние операторов Паули , ,  в энергетическом пространстве с помощью волновой функции .
Показатель преломления композитного материала PMMA+Ag определяется с помощью следующей известной формулы [О.Н. Гадомский, И.А. Щукарев, Эффект огибания светом в плоскопараллельном слое с квазинулевым показателем преломления под действием ограниченных световых пучков, ЖЭТФ, Том 150, Вып. 2, С. 214-228, 2016]:
(6)
где  - число свободных электронов в наночастице серебра, ,  - концентрация и поляризуемость молекул в матрице композита, - концентрация наночастиц серебра в композите,  - эффективная поляризуемость свободных электронов в наночастице серебра,  - структурный фактор, учитывающий дискретное распределение наночастиц внутри воображаемой сферы, окружающей точку наблюдения,  - квантовая поляризуемость:
(7)
Будем рассматривать взаимодействие двух кубитов при большом расстоянии  между кубитами, таком, что .
Рассмотрим кубиты, как фрагменты композитного материала с квазинулевым показателем преломления. Формула для структурного фактора имеет следующий вид:
(8)
где  - расстояние от точки наблюдения в центре воображаемой сферы до а-ой наночастицы серебра,  - показатель преломления матрицы композита. Определим величину  при точном обращении в нуль показателя преломления композита. Как следует из формулы , это произойдёт, если выполняется уравнение:
(9)
Тогда получим, что
(10)
Где  - объём сферической наночастицы серебра. При  нм , , и инверсия 2-го кубита равна приблизительно , то есть близка к равновесному значению.
Вычислим максимальное расстояние  между кубитами, при котором достигается резонансная передача энергии от кубита 1 к кубиту 2. Для этого в соответствии с известной формулой .
(11)
-1
При  и  с получим максимальное расстояние между кубитами  см.
Система их двух кубитов, представляющих собой фрагменты композитного материала PMMA+Ag, является идеальным транспортёром энергии от одного кубита к другому на большие расстояния. Резонансная передача энергии от одного кубита к другому, при селективном возбуждении внешним излучением одного из кубитов, приводит к изменению инверсии кубитов и индуцированию локальных электрических дипольных переходов кубита 1 (кубит-наблюдатель) и кубита 2 (кубит- индуктор). Кубит 2 облучается внешним излучением и индуцирует локальное поле в месте расположения кубита-наблюдателя 1, находящимся на большом расстоянии от кубита-индуктора 2. Это означает, что происходит передача квантовой информации от одного кубита к другому.