[論文レビュー] Method of quantum computation with ``hot'' trapped ions

Sara Schneider, Daniel F. V. James+1 more|ArXiv.org|Aug 7, 1998

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、イオンを振動基底状態に冷却する必要がない「高温」の捕獲イオンを用いた新しい量子計算手法を提案している。断熱的遷移と条件付き位相シフトを用いることで、高温でもユニバーサルな量子ロジックゲートを実現可能となり、捕獲イオン量子計算の実験的要件が著しく緩和される。

ABSTRACT

We present a novel method of performing quantum logic gates in trapped ion quantum computers which does not require the ions to be cooled down to their vibrational center of mass (CM) mode ground state. Our scheme employs adiabatic passages and the conditional phase shift first investigated by D'Helon and Milburn (C.~D'Helon and G.J.~Milburn, Phys. Rev. A {\bf 54}, 5141 (1996)).

研究の動機と目的

• 振動基底状態に冷却されていない捕獲イオンを用いても効果的に動作する量子計算方式の開発。
• 捕獲イオン系において、イオン運動の基底状態を達成・維持するという主要な実験的課題の克服。
• 熱的に励起された運動状態においても、条件付き位相シフトと断熱的遷移を用いてユニバーサルな量子ロジックゲートを実現すること。
• 捕獲イオンアーキテクチャにおいて現実的で非理想な熱的条件下での量子計算の実現可能性の検証。

提案手法

• 捕獲イオンの内部量子ビット状態間の状態人口を断熱的遷移によってコherentlyに転送する。
• D'HelonとMilburnが当初提唱した条件付き位相シフト機構を用いて、運動状態に基づいて量子ビット状態をエンタングル化する。
• イオン遷移に共鳴するレーザー場を用いて、非ゼロの運動温度下での制御された動的進化を誘導する。
• ゲート操作中に熱的運動励起に対して頑健であるよう、断熱性条件に依存する。
• 熱フォノンがイオントラップに存在する状態でも、ゲートの忠実度を維持するレーザーパルスシーケンスを設計する。
• 条件付き位相シフトをコアなエンタングリング操作として用い、基底状態冷却を必要としない2量子ビットゲートの実装を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 振動基底状態に準備されていない捕獲イオンにおいても、ユニバーサルな量子ロジックゲートを実装可能か？
• RQ2 イオン運動における熱フォノン数の増加に伴い、量子ゲートの忠実度はどのように低下するか？
• RQ3 断熱的遷移は、捕獲イオン量子ビットにおける熱運動に起因するデ coherent と誤差をどの程度軽減できるか？
• RQ4 非基底状態の運動環境において、条件付き位相シフトがどの程度有効に機能するか？
• RQ5 基底状態への能動的冷却なしに、有限温度のイオンを用いてスケーラブルな量子計算アーキテクチャを実現可能か？

主な発見

• 提案手法により、イオンが熱的に励起された振動状態に存在する場合でも、捕獲イオンにおけるユニバーサルな量子ロジックゲートが実現可能である。
• 断熱的遷移が運動状態の励起に起因する誤差を効果的に抑制し、高温下でも高いゲート忠実度を維持する。
• 条件付き位相シフト機構は熱的条件下でも頑健であり、基底状態初期化を必要とせずにエンタングルメントを生成可能である。
• この手法により、イオンを基底状態に冷却する実験的負担が著しく軽減され、より実用的な量子計算実装が可能になる。
• 理論的解析により、顕著な熱フォノン密度が存在する状況でもゲート操作が実行可能で正確であることが確認された。
• この手法は、既存の捕獲イオンアーキテクチャと互換性があり、イオントラップやレーザー配信システムの改変を必要としない。