[論文レビュー] A silicon-based cluster state quantum computer

John J. L. Morton|ArXiv.org|May 25, 2009

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、シリコン中のドナースピンを用いたスケーラブルな量子コンピューティングアーキテクチャを提案し、クラスタ状態モデルを活用してスピン間相互作用の局所的制御を不要にする。電子スピンをグローバルに操作し、共鳴的にドナー間をスピンを輸送することで、核スピンをユニバーサルクラスタ状態にエンタングルし、長寿命のスピンコherence時間と高精度な操作を実現する。

ABSTRACT

It has been over ten years since Kane's influential proposal for a silicon-based nuclear spin quantum computer using phosphorous donors. Since then, silicon-based architectures have been refined as the experimental challenges associated with the original proposal have become better understood, while simultaneously a number of powerful and generic models for quantum computation have emerged. Here, I discuss how the cluster state or "one-way" model for quantum computing might be advantageously applied to donors in silicon, with the potential to substantially reduce the practical requirements of a successful implementation. The essence of the scheme is to use the electron spin associated with a donor to weave an entangled network between 31P donor nuclear spins. This resource has been shown to have exceptional coherence times and supports universal quantum computation through local measurements on the nuclear spins. Some of the key ingredients, such as global spin manipulation, have been robustly established, while others, such as single spin measurement, have seen much progress in recent years. A key challenge will be the demonstration of electron transfer between donors that preserves spin coherence.

研究の動機と目的

• 局所的スピン制御をグローバル操作に置き換えることで、シリコンベース量子コンピューティングにおけるスケーラビリティの課題に対処すること。
• シリコン中の31P核スピンの長寿命なコher-ence時間（1秒以上）を活用して、安定なキュービット記憶を実現すること。
• ワンウェイ量子コンピューティングモデルを固体系プラットフォームで実装し、ユニバーサル量子コンピューティングへの実用的道筋を示すこと。
• 特に共鳴的電子スピン輸送中にスピンコherenceを保持するという、主要な技術的障壁を特定・緩和すること。
• クラスタ状態アーキテクチャと互換性のあるトポロジカルエラー訂正符号を用いてフォールトトレランスを実現すること。

提案手法

• マイクロ波およびRFパルスをグローバルに用いて、すべての電子スピンおよび核スピンを|+⟩状態に初期化する。
• 等方的ハイパーフィン結合（約120 MHz）を介して、電子スピンと核スピンの間にグローバルな制御位相ゲートを適用し、キュービットをエンタングルする。
• 電場を用いて隣接するドナー間で電子スピンを共鳴的に輸送し、輸送中もスピンコherenceを保持する。
• 電子スピンをσy基底でグローバルに測定することで、核スピンをユニバーサルクラスタ状態に射影する。
• SWAP操作を用いて電子スピンを冷却リソースとして利用し、高初期偏極を実現する。
• 局所的測定と単一キュービット回転を用いて、適応的測定パターンによりユニバーサル量子コンピューティングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラスタ状態モデルは、シリコンベースのドナースピン系に効果的に実装可能であり、スピン間相互作用の局所的制御の必要性を低減できるか？
• RQ2 スピンコherenceを保持しながら、ドナー間での共鳴的電子スピン輸送は実現可能か？
• RQ3 31Pドーパントシリコン中の長寿命核スピンコherence時間を活用して、フォールトトレランスな量子コンピューティングを実現できるか？
• RQ4 このアーキテクチャにおける主要な誤り要因は何か？ そして、既存または新規のエラー訂正方式でそれらを緩和できるか？
• RQ5 高精度な単一スピン測定とグローバル制御を、スケーラブルでモジュラーな量子コンピューティングプラットフォームに統合する方法は何か？

主な発見

• クラスタ状態モデルにより、スピン間相互作用の局所的制御を不要とし、技術的複雑性を低減したユニバーサル量子コンピューティングが可能である。
• 電子スピンのグローバル制御（単一および二キュービット操作）は、約10^13スピン規模で高精度に実験的に実証された。
• 複合パルスを用いることで、電子スピンと核スピンの間の制御位相ゲートは40 nsで実装可能であり、高速なエンタングルメント生成が可能である。
• 5.5 Kで31P核スピンは1秒を超えるコherence時間を示し、電子を除去することでさらなる延長が期待できる。
• 電子スピンのドナー間輸送は、現在の実験的手法で有望であるが、さらなる開発を要する主な課題である。
• トポロジカル符号とエラー訂正を用いてフォールトトレランスな量子コンピューティングを実現可能であり、一部のモデルでは最大50％の損失に耐える誤り閾値を有する。