NMR

Zcela jiným přístupem k problematice konstrukce kvantového procesoru je technologie, která používá nukleární magnetickou rezonanci - NMR. U uvězněných iontů jsme ovlivňovali pokaždé jen jeden qubit a měřili jeho vlastní stav. NMR místo toho využívá velkého počtu jedno-molekulových kvantových počítačů, jejichž měřením obdržíme střední hodnotu výsledku. Tyto molekuly tvoří kapalinu, která je uzavřena v nádobě obsahující asi $10^{22}$ molekul. U systémů podobných uvězněným iontům jsou tradiční problémy s dobou dekoherence. Naproti tomu u NMR je dekoherenční čas velký. To proto, že NMR používá ke kódování qubitů spinové stavy jader atomů, které jsou elektronovým mrakem dobře od okolí izolovány a samotné jádro zabírá v porovnání s celým atomem minimální objem. Každé jádro navíc tvoří určitý magnetický dipól a chová se tak jako malý magnet. Pokud na kapalinu aplikujeme vnější magnetické pole, nastaví se spiny ve dvou možných směrech: paralelním nebo anti-paralelním vzhledem k orientaci pole. To odpovídá hodnotám qubitu $\vert\rangle$ a $\vert 1\rangle$. Paralelní spin má přitom nižší energii než spin anti-paralelní o hodnotu, která je úměrná síle magnetického pole. V běžné kapalině jsou oba typy spinů zastoupeny stejně; pod vlivem magnetického pole jsou upřednostněny paralelní směry s nižší energií. Pokud k vnějšímu poli přidáme působení pomocí elektromagnetického pole s radiovými frekvencemi, pak je možné stavy spinů jemně upravovat a vytvářet tak superpozice stavů. Pokud například vystavíme proton externímu poli kolem 10 Tesla, pak oscilacemi 400 MHz můžeme podle délky pulzu buď vytvořit superpozici nebo úplně otočit směr spinu qubitu. Jakmile je částice v elektromagnetickém poli, podléhá směr spinu precesi a osciluje s charakteristickou frekvencí. Přitom vysílá rádiové vlny, které aparatura NMR detekuje. Aby bylo možné qubity vhodně ovlivňovat, je však nejprve zapotřebí zjistit složení vzorku kapaliny. K tomu se používá efektu zvaného chemický posun, který u NMR jemně posouvá rezonanční frekvence v závislosti na konkrétním složení vzorku kapaliny v důsledku interakcí lokálních elektronových a externích magnetických polí. Protože nikdo není schopen ovlivňovat ani měřit stavy jednotlivých jader, je zapotřebí měřit průměrný spinový stav v celém objemu kapaliny. Do tohoto průměrného stavu vlastně kódujeme jednotlivé qubity, jejichž stavy ovládáme externími poli na makroskopických rozměrech nádoby s kapalinou. Různé spinové stavy vyvolávají po odečtu pomocí NMR různá NMR-spektra, která prozrazují stav qubitů. Abychom mohli provádět logické operace zahrnující více qubitů, je zapotřebí měnit energie atomů tak, aby v molekulách docházelo k tzv. spinovým vazbám (spin-spin coupling), které umožňují ovlivňovat sousední atomy a tím implementovat například operaci CNOT. Relativně snazší realizace technologie NMR je vykoupena několika značnými omezeními:
- velikost použitelných molekul a tím i složitost možných operací je technologicky omezena,
- technologie je velmi špatně škálovatelná - objem kapaliny roste exponenciálně s větším počtem qubitů (několik desítek qubitů je zřejmě maximum),
- obtížná příprava počátečního stavu

Technologii NMR předvedla skupina Isaaca Chuanga v roce 1996. Ti použili molekuly chloroformu CHCl$_3$. Jejich 2-qubitovému počítači se podařilo provést Groverův vyhledávací algoritmus¹⁶ k nalezení jednoho označeného prvku ze čtyř.