[論文レビュー] Fast long-range state transfer in quantum dot arrays via shortcuts to adiabaticity

Yue Ban, Xi Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 49被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、中間的な量子ドットに励起状態をほとんど占有させることなく、長距離の電荷転送を高速かつ高精度で実現するため、逆設計を用いた断熱的加速（STA）プロトコルを提案する。時間に依存する電場パルスを設計し、断熱的挙動を模倣するが、より短い時間で実現することで、デ coherent と加熱の制約を軽減し、従来の断熱的プロトコルよりも高速かつより頑健な量子状態転送を実現する。

ABSTRACT

Rapid and efficient preparation, manipulation and transfer of quantum states through an array of quantum dots (QDs) is a demanding requisite task for quantum information processing and quantum computation in solid-state physics. Conventional adiabatic protocols, as coherent transfer by adiabatic passage (CTAP) and its variations, provide slow transfer prone to decoherence, which could lower the fidelity to some extent. To achieve the robustness against decoherence, we propose a protocol of speeding up the adiabatic charge transfer in multi-QD systems, sharing the concept of "Shortcuts to Adiabaticity" (STA). We first apply the STA techniques, including the counterdiabatic driving and inverse engineering, to speed up the direct (long range) transfer between edge dots in triple QDs. Then, we extend our analysis to a multi-dot system. We show how by implementing the modified pulses, fast adiabatic-like charge transport between the outer dots can be eventually achieved without populating intermediate dots. We discuss as well the dependence of the transfer fidelity on the operation time in the presence of dephasing. The proposed protocols for accelerating adiabatic charge transfer directly between the outer dots in a QD array offers a robust mechanism for quantum information processing, by minimizing decoherence and relaxation processes.

研究の動機と目的

• 外側の量子ドット間での長距離電荷転送において、従来の断熱的プロトコルの遅さとデ coherent の脆弱性を解消すること。
• 中間的なドットへの励起状態の占有を最小限に抑える、高速で非断熱的なプロトコルの開発。
• スケーラブルな量子情報処理を実現するため、多量子ドット量子ドットアレイへの断熱的加速（STA）技術の応用拡張。
• 操作時間を短縮することで、デコherence を抑制しつつ、必要なパルス強度を低減させることで、位相破壊下での転送精度を向上させること。
• 固体量子系における直接的電荷および量子状態転送のための、頑健で実験的に実装可能なプロトコルの提供。

提案手法

• レイズン＝ライゼンフェルト不変量の逆設計を用いて、時間に依存する電場パルスを設計し、共鳴的転送を加速しながら断熱的挙動を維持する。
• この手法は最初に三量子ドット系に適用され、最初のドットから最後のドットへの直接的転送が可能となり、中間ドットへの占有はほとんどない。
• より大きなアレイでは、長鎖を三準位系に類似させた有効なアナロジーを用い、エンジニアリングされた端縁結合を介してマッピングする。
• パルス振幅は操作時間の逆数に比例してスケーリングされ、標準的な断熱的通過による共鳴的転送（CTAP）よりも高速な転送が可能になる。
• デコherence を評価するために Lindblad マスター方程式を解き、位相破壊はマコリアンノイズチャネルとしてモデル化される。
• この手法はスピン転送にも一般化可能であり、調整可能なゲート電圧を用いた標準的なスプリットゲート構造で実装可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断熱的加速（STA）を用いることで、中間的なドットに励起状態をほとんど占有させることなく、量子ドットアレイにおける長距離電荷転送を高速化できるか？
• RQ2 現実的な環境下での位相破壊を考慮した場合、転送プロトコルの精度は操作時間と位相破壊にどのように依存するか？
• RQ3 逆設計は、高精度な直接的非断熱的転送を達成するために、カウンター断熱駆動を上回ることができるか？
• RQ4 提案されたプロトコルにおいて、パルス強度と操作時間のトレードオフは何か？
• RQ5 有限なコherenct 時間を持つ実際の半導体量子ドットプラットフォームでも、このプロトコルは十分に頑健に実装可能か？

主な発見

• 逆設計に基づくSTAは、カウンター断熱的プロトコルとは異なり、中間ドットへの励起状態の占有がほとんどない状態で、量子ドットアレイの外側のドット間で高速な直接的電荷転送を可能にする。
• 操作時間を短縮することでデコherence 効果を抑制するため、標準的なCTAPよりも高い精度を達成する。
• 必要なパルス振幅は操作時間の逆数に比例するため、CTAPよりも高いピーク強度を必要とせず、加熱リスクを低減できる。
• STAによって操作時間を短縮することで、位相破壊下でも精度が高く維持されることが示され、デコherence に対して頑健であることが確認された。
• この手法はスピン転送にも一般化可能であり、Si/SiGe や GaAs/AlGaAs プラットフォームを含む、既存のゲート定義量子ドット構造で実装可能である。
• 本プロトコルは、マルチキュービット量子ドット系における高精度な量子状態転送のためのスケーラブルで実験的に実装可能な道筋を提供する。