[論文レビュー] Controlled generation of graph states for quantum computation in spin chains

Stephen R. L. Clark, Carolina Alves+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、空間的に変化する結合を持つ時間発展XY相互作用を用いたスピン鎖におけるグラフ状態の正確な生成手法を提案する。この手法により、スピンの個別アドレス指定を必要とせず、普遍的な量子計算が可能になる。ダイナミカルな不変性と、ストレージ鎖とエンタングリング鎖間のスピン交換を活用することで、スケーラブルな実装が可能であり、超低温原子を用いた光学ラティスを用いた実装が提案されている。

ABSTRACT

We solve exactly the dynamics of a XY spin chain with fixed spatially varying couplings for a specific time interval, and find it equivalent to a family of quantum circuits which can generate Graph states. We extend this into a scheme which involves swapping selected spins between a storage and entangling chain allowing arbitrary Graph states to be generated. By exploiting an invariance in the dynamics we relax the requirements of single-spin addressability in the scheme. Finally we propose a possible implementations with optical lattices of neutral atoms.

研究の動機と目的

• 時間発展相互作用を用いたスピン鎖におけるグラフ状態のスケーラブルで正確な生成手法の開発。
• ダイナミカルな不変性を活用することで、量子スピン系におけるスピンの個別アドレス指定の課題を克服すること。
• ストレージ鎖とエンタングリング鎖を用いたハイブリッドアーキテクチャとスピン交換を設計し、普遍的なグラフ状態生成を実現すること。
• 実験的実現可能性を考慮した、光学ラティス内の超低温中性原子を用いた物理的実装の提案。

提案手法

• 空間的に変化する結合を持つXYスピン鎖のダイナミクスを、特定の時間間隔にわたって正確に解く。
• その解が、グラフ状態を生成する量子回路の族に等価であることを示す。
• スピンをストレージ鎖とエンタングリング鎖の間で交換することで、任意のグラフ状態を構築する二鎖アーキテクチャを導入する。
• 個々のスピンを直接制御する必要がないが、エンタングルメント生成が可能なダイナミカルな不変性を活用する。
• 逐次的なエンタングリング操作を通じて、普遍的なグラフ状態準備を拡張する。
• 既存のスピン相互作用とサイトアドレス指定の制御が可能な超低温原子を用いた光学ラティスを活用した物理的実装を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に変化する結合を持つスピン鎖の正確なダイナミクスを、グラフ状態の生成に活用できるか？
• RQ2 スピン鎖ダイナミクスにおけるダイナミカルな不変性は、スピンの個別アドレス指定の必要性をどのように緩和できるか？
• RQ3 ストレージ鎖とエンタングリング鎖間のスピン交換が、普遍的なグラフ状態生成を可能にする役割は何か？
• RQ4 提案されたスキームは、光学ラティス内の超低温原子のような実際の物理的プラットフォームに適応可能か？

主な発見

• 空間的に変化する結合を持つXYスピン鎖の正確なダイナミクスの解が、グラフ状態を生成する量子回路の族を生じる。
• スピンの個別アドレス指定を必要とせず、逐次的なエンタングリング操作により普遍的なグラフ状態準備が可能になる。
• 系に内在するダイナミカルな不変性のおかげで、個々のスピンが直接アドレス可能でない場合でもエンタングルメント生成が可能になる。
• プロトコルはスケーラブルであり、調整可能なスピン相互作用とサイト制御が可能な超低温中性原子を用いた光学ラティスで実装可能である。