научная статья по теме НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ОБРАБОТКА КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ОБРАБОТКА КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 4, с. 274-287

КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА

УДК 530.145

НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ОБРАБОТКА КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ © 2011 г. А. В. Цуканов

Физико-технологический институт Российской АН E-mail: tsukanov@ftian.ru Поступила в редакцию 07.10.2010 г.

Использование наноэлектромеханических систем в качестве одной из структурных компонент квантовых вычислительных устройств предполагает высокий уровень когерентного контроля их состояния. В этом случае подобные объекты могли бы выполнять определенные функции при кодировании, хранении и транспортировке квантовой информации, а также служить вспомогательными элементами для ее обработки. Данная статья содержит обзор основных теоретических и экспериментальных результатов, подтверждающих возможность когерентных манипуляций с фононными состояниями наноэлектромеханических систем, их охлаждения до основного колебательного состояния и организации контролируемого взаимодействия между ними и другими носителями квантовой информации.

1. ВВЕДЕНИЕ

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) имеют богатую историю своего развития (см. обзоры [1—3]). Данная область наноэлектроники традиционно связывается с созданием высокочувствительных детекторов механического смещения [4—9]. Одним из наиболее известных применений НЭМС в экспериментальной физике является силовая микроскопия, где игла кантилевера — простейшая НЭМС — сканирует исследуемую поверхность, и по ее смещению можно восстановить потенциальный рельеф данной поверхности [3]. Если же в качестве материала для иглы используется магнетик, то удается наблюдать распределение электронных или ядерных спинов в приповерхностном слое с точностью до одиночных спинов [10]. Кроме этого, данные системы обладают большим потенциалом в сфере создания сверхвысокочувствительных масс-детекторов [11—14]. Благодаря тому, что характерные механические частоты НЭМС зависят от их массы, оказывается возможным определение массы наночастиц и даже отдельных молекул, осаждающихся на поверхности НЭМС, с точностью до 10-18 г. Известны сообщения об использовании их и в роли температурных сенсоров [15]. Отметим, что все эти направления развития наномеханики рассматривают НЭМС как макрообъект, описывающийся законами классической физики.

Цель обзора — познакомить читателя с другим интересным практическим приложением НЭМС, ориентированным, в отличие от упомянутых выше, на достижение когерентного характера взаимодействия механического резонатора с одиночными квантовыми системами, в частности, с квантовыми битами (кубитами). В режиме сверхнизких температур, когда энергия тепловых флуктуаций существенно меньше энергии возбуждения, многие фи-

зические системы — не только атомные, но и макроскопические (например, сверхпроводники или полупроводниковые квантовые точки) — могут находиться в суперпозиции квантовых состояний. Если при этом частоты НЭМС и системы близки друг к другу, то при соблюдении определенных условий колебательная мода резонатора и система будут обмениваться квантами энергии когерентным образом. В этом случае НЭМС может находиться в суперпозиции макроскопических колебательных состояний центра масс резонатора, что является наглядной "макроскопической" иллюстрацией кванто-вомеханической теории. С точки зрения реализации квантовых вычислений, подобные НЭМС могут эффективно использоваться в качестве вспомогательного элемента квантового регистра, в основном функционирующего как квантовое реле.

2. ГИБРИДНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ НЭМС

В подавляющем большинстве экспериментальных приложений НЭМС выступают как составные части некоторого квантового устройства и выполняют в нем определенные вспомогательные функции. Они могут использоваться как в качестве детекторов, осуществляющих мониторинг квантовой системы, так и выступать в роли тестируемого объекта. Круг квантовых систем, взаимодействующих с НЭМС, включает в себя одноэлектронные транзисторы [7, 16—25], квантовые точечные контакты [8], ионы в ловушках [26—28], квантовые точки [29—36], электронные спины [10, 37—39], бозе-эйнштейнов-ские конденсаты холодных атомов [40, 41] и всевозможные типы сверхпроводниковых структур. К последним относятся фазовые [42, 43], зарядовые [44— 61] и флюксоидные [62] кубиты, а также микроволновые планарные резонаторы [9], [63—65]. Эти си-

Входной электрический сигнал

пп

Э\М

Ш

Трансдюсер

щ Выходной электрический сигнал

Механические импульсы

Сигнал

Трансдюсер

Детектор

Рис. 1. Принципиальная схема работы устройства, использующего НЭМС. Механическая система снабжена комплексом трансдюсеров. Измерение характеристик НЭМС, несущих информацию о состоянии квантовой (контролируемой извне) системы КС, осуществляется посредством контролирующего прибора КП (например, рефлектометра), электрический сигнал которого, трансформируясь на входном/выходном портах НЭМС в механическое/электрическое возмущение, взаимодействует с ней и детектируется. Предусматривается также независимый мониторинг КС, позволяющий получать информацию о состоянии НЭМС.

стемы представляют практический интерес для квантовой информатики, поскольку на них уже продемонстрированы все основные элементы квантовых алгоритмов [66—68].

Схема, иллюстрирующая структуру и общие принципы работы приборов на основе НЭМС, показана на рис. 1. Основная функциональная часть любой НЭМС — механический резонатор с характерными размерами порядка 100 нм—10 мкм, собственные частоты которого лежат в интервале от сотен килогерц до нескольких гигагерц. Интересно отметить, что указанный интервал, принадлежащий радиочастотному и микроволновому диапазонам, обычно не ассоциируется с механическими колебаниями. Поскольку амплитуда колебаний резонатора небольшая, то его эволюция успешно моделируется уравнениями движения гармонического осциллятора. Как правило, НЭМС-резонатор имеет простую геометрию и изготавливается в виде длинного и узкого стержня, с одним (кантилевер) или же двумя (мостик) жестко закрепленными концами. При этом следует обеспечить и необходимый элемент интерфейса (так называемый трансдюсер) между механической модой резонатора, квантовой системой и измерительным устройством. Если в качестве такого объекта выступает электрический прибор сходных размеров (например, одноэлек-тронный транзистор или сверхпроводниковый ку-бит), то можно воспользоваться принципом конверсии электрического возбуждения в механическое и наоборот. При подаче внешнего потенциала

(а)

Напряжение Барьер Барьер

Уровень энергии электронов

(б)

Островок

/

Резо1э

Сток ОстровоА Источник Электрон

Резонатор

Ш у

1 мкм 1_1

Рис. 2. Взаимодействие между туннельным током через ОЭТ и наномеханическим резонатором (а). Микрофотография системы "ОЭТ+НЭМС-мостик" [7] (б).

на металлический электрод резонатора электрическое поле, создаваемое прибором, воздействует на резонатор вследствие наличия между ними емкостной связи, вынуждая его отклоняться от равновесного положения и совершать малые колебания. При этом изменяются и внутренние характеристики резонатора, мониторинг которых позволяет сделать заключение о состоянии прибора. Обратно, механическое смещение заряженного резонатора возмущает состояние прибора, показания которого несут, таким образом, информацию о состоянии резонатора. Разумеется, наблюдение эффектов, обусловленных квантовомеханическим характером НЭМС, требует соблюдения ряда требований, в частности, достаточно низких температур (10— 100 мК) и высокого вакуума.

Самые ранние исследования свойств НЭМС проводились с помощью высокочувствительных квантовых электрометров, таких, как одноэлек-тронный транзистор (ОЭТ) и квантовый точечный контакт (КТК). В отличие от обычных полевых транзисторов, канал ОЭТ сегментирован и представляет собой островок, расположенный между двумя электродами (источником и стоком). Размеры островка сопоставимы с дебройлевской длиной волны электрона, а его плотность состояний имеет ярко выраженный дискретный характер. Это дает возможность использовать эффект кулоновской блокады, когда ток, создаваемый туннелирующими через прибор электронами, зависит от внешних полей и электронного состояния островка. Следовательно, заряженная механическая система, расположенная вблизи электрометра, будет определенным образом влиять на туннельный ток, который затем можно измерить, см. рис. 2. Динамика механической системы хорошо описывается полуклассическими уравнениями (см. обзор [3]). В качестве НЭМС может выступать и какая-нибудь внутренняя деталь электрометра, в частности, островок ОЭТ, если закрепить его на чипе при помощи подвижного упругого элемента, например, углеродной нанотрубки [21]. Изучение динамики НЭМС

а

200

150 ' -

100

о о я В

о

50 -

- 60

я

1-ч

40 ^ -е

I- ^

со

20

19.656 19.658 19.660 19.662 19.664 Частота, МГц

Рис. 3. Мощность зарядового шума ОЭТ (левая шкала) и функция Я^ш) (правая шкала) для двух значений эффективной температуры Т^ = 100 мК и Т^ = 73 мК

резонатора-мостика. Для более низкой температуры лоренц-кривая смещена влево и ограничивает меньшую площадь. Разрешение смещения составляет 3.8 фм/Гц1/2 На вставке показаны стандартные результаты измерения (фаза и амплитуда) отклика НЭМС [23].

обычно сводится к анализу шумового спектра Sx(®) детектора (рис. 3), обусловленного смещением x резонатора, в диапазоне, содержащем резонансные частоты НЭМС [23, 24]. Поскольку площадь под кривой Sx(®) пропорциональна среднему квадрату

смещения (x ^ осциллятора из положения равновесия, можно, согласно закону равнораспределения для классического гармонического осциллятора,

шщ(х= kBT (ю0 и m — собственная частота и масса резонатора, кв — постоянная Больцмана), определив (x ^ из графика и зная параметры осциллятора, рассчитать его эффективную температуру T. Сравнивая ее с известной температурой окружения (термостата) Tth, можно увидеть, насколько точным является классическое описание НЭМС. Экспериментальные данные [23] свидетельствуют, что ниже Tth = 100 мК эффективная температура НЭМС существенно отличается от температуры окружения. Это говорит о возрастающей роли квантовых эффектов и обратного возде

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком