[論文レビュー] Charge based quantum computer without charge transfer

V. Vyurkov, L. Y. Gorelik|ArXiv.org|Sep 24, 2000

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、計算中に電荷移動が発生しない二重量子ドット（DQDs）を用いた電荷ベースの量子コンピュータを提案し、不要なクーロン誘起もつれを抑制する。ゲート電圧で制御される交換相互作用と電子局在性を活用することで、高速動作（1ゲートあたり1 ps）と長いデ coherent 時間が実現され、フォノン結合の抑制と対称性保護により、故障に強いアーキテクチャを提供し、1 THz動作の可能性を有する。

ABSTRACT

A novel implementation of a charge based quantum computer is proposed. There is no charge transfer during calculation, therefore, uncontrollable entanglement between qubits due to long-range Coulomb forces is suppressed. High-speed computation with 1ps per an operation looks as feasible.

研究の動機と目的

• 電荷ベースの量子コンピュータにおいて、遠く離れたキュービット間の不要なもつれを引き起こす長距離クーロン相互作用の課題に対処すること。
• 電荷キュービットは電子-フォノン結合と電圧ノイズにより短いデ coherent 時間を示すという一般的な認識を乗り越えること。
• 電荷状態に基づくスケーラブルで固体状態の量子コンピューティングアーキテクチャを設計し、電荷移動なしにコherently を維持すること。
• 対称性保護キュービット状態による故障耐性を保ちながら、高速な量子操作（1ゲートあたり1 ps）を達成すること。
• エネルギー準位差が小さい場合、歪みフォノンによるデ coherent が極めて弱くなることの証明。

提案手法

• キュービットは、それぞれに1個の電子を有する2つのDQDに符号化され、計算状態|0⟩と|1⟩は対称および反対称空間状態の重ね合わせとして定義される：|0⟩ = √(1/2)(|+₁−₂⟩ − |+₂−₁⟩)，|1⟩ = √(1/2)(|−₁+₂⟩ − |−₂+₁⟩)。
• ゲート電極EとTは、それぞれポテンシャル障壁の変調による交換相互作用の制御と、波動関数の重なりによるトンネル結合の制御を担い、ハミルトニアンH = Aσₓ + Pσ_zを介してユニタリ操作を可能にする。
• フェルミ・デイジー統計と空間対称性を活用し、|++⟩および|--⟩状態への遷移を禁止することで、対称性破壊プロセスによるデ coherent を防ぐ。
• EおよびT電極上の電圧揺らぎは、構造的対称性のおかげで|+⟩と|−⟩状態間の遷移を誘発しないため、ノイズ誘発誤差が低減する。
• フォノン誘発デ coherent は最小限に抑えられる：22 nm間隔のGaAs DQDsでは、歪みフォノンに対してデ coherent 時間τは10⁶ sを超える。ピエゾ電気的フォノンでは10⁻² sである。
• 電圧制御の代替としてフォトスタイムドトンネルを提案し、ビームの偏光を用いた正確なキュービットアドレス指定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷ベースの量子コンピュータは、電荷移動なしに動作可能であり、それにより長距離クーロン誘起もつれを完全に排除できるか？
• RQ2 歪みフォノンによるデ coherent は十分に抑制可能であり、電荷キュービットで長時間の故障耐性動作を実現できるか？
• RQ3 電荷ベースのシステムで1ゲートあたり1 psの高速ゲート操作を達成しつつ、キュービットのコherently を維持できるか？
• RQ4 DQDsの局所的ゲート制御のみで、不要なキュービット間結合を誘発せずにユニバーサル量子計算を実現できるか？
• RQ5 対称性保護キュービット状態は、操作中に非計算状態への不要な遷移を防げるか？

主な発見

• 提案されたアーキテクチャは、計算中に電荷移動を完全に排除し、長距離クーロン力に起因するキュービット間の制御不能なもつれを防止する。
• 歪みフォノンによるデ coherent 時間τは極めて短く、22 nm間隔のGaAs DQDsでは、10⁶ sを超える。ピエゾ電気的フォノンでは10⁻² sである。
• システムは高速動作を達成し、ゲート時間は約1 psであり、これにより1 THzのクロック周波数が実現可能である。
• EおよびT電極上の電圧ノイズは、構造的対称性のおかげで|+⟩と|−⟩状態間の遷移を誘発しないため、ゲート忠実度が向上する。
• 歪みフォノンではτ ∼ ε⁻⁵、ピエゾ電気的フォノンではτ ∼ ε⁻³に従う。GaAsではピエゾ電気的フォノンが支配的だが、依然として長いτを示す。
• 2フォノン過程が最終的なデ coherent 限界を決定する可能性があるが、エネルギー準位差Δε ≪ kTの場合、任意に長い時間にわたってコherently を維持できる。