[論文レビュー] NMR quantum information processing

Dawei Lu, Aharon Brodutch+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、量子計算のための主要なプラットフォームとしての核磁気共鳴（NMR）量子情報処理をレビューし、複数の量子ビットにおけるユニバーサルな量子制御を実装できる能力を示している。量子アルゴリズム、エラー訂正、基礎的量子実験における主な進展を強調し、NMRが量子情報科学の基盤的実験台として、他の量子系に対しても広範な応用を持つことを確立している。

ABSTRACT

Quantum computing exploits fundamentally new models of computation based on quantum mechanical properties instead of classical physics, and it is believed that quantum computers are able to dramatically improve computational power for particular tasks. At present, nuclear magnetic resonance (NMR) has been one of the most successful platforms amongst all current implementations. It has demonstrated universal controls on the largest number of qubits, and many advanced techniques developed in NMR have been adopted to other quantum systems successfully. In this review, we show how NMR quantum processors can satisfy the general requirements of a quantum computer, and describe advanced techniques developed towards this target. Additionally, we review some recent NMR quantum processor experiments. These experiments include benchmarking protocols, quantum error correction, demonstrations of algorithms exploiting quantum properties, exploring the foundations of quantum mechanics, and quantum simulations. Finally we summarize the concepts and comment on future prospects.

研究の動機と目的

• NMRがスケーラブルな量子制御を備えた量子情報処理の主要なプラットフォームとして果たす役割を評価すること。
• NMRシステムがユニバーサル量子コンピュータのためのDiVincenzo基準をどのように満たしているかを分析すること。
• 他の量子コンピューティングプラットフォームに適応された高度なNMR技術を要約すること。
• NMR量子プロセッサにおける最近の実験的成果をレビューすること、特にベンチマーク、エラー訂正、量子シミュレーションを含む。
• NMRが量子情報科学および技術の発展に果たす将来の可能性を評価すること。

提案手法

• ラジオ周波数パルスを用いて分子内のスピン1/2粒子（量子ビット）をコherentに制御することで、核磁気共鳴（NMR）を用いる。
• 初期化、操作、測定に用いる標準的なNMR技術、例えばパルスシーケンス、状態トモグラフィー、ダイナミック核極化を用いる。
• 量子ゲートの特性評価と制御の忠実度の妥当性を検証するために、量子プロセストモグラフィーおよびランダム化ベンチマークを適用する。
• NMRにおいて量子エラー訂正符号（例：Steane符号）を採用し、デコherenceから論理的量子ビットを保護する実験を実施する。
• 多数体量子系をモデル化し、基礎的量子力学をテストするためにNMRを用いた量子シミュレーションを実施する。
• ゲート性能を測定するために、ランダム化ベンチマークおよびプロセス忠実度推定といったベンチマークプロトコルを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NMR量子情報処理は、ユニバーサル量子コンピュータの基準をどのように満たしているか？
• RQ2 NMRで開発された主な実験技術の中で、他の量子プラットフォームに移行されたものは何か？
• RQ3 NMRシステムは、量子エラー訂正およびフォールトトレランスプロトコルの実現においてどの程度効果的か？
• RQ4 NMRは大規模な量子計算にスケーリングする上でどのような制限を有するか？
• RQ5 NMR実験は、量子力学の基礎的側面の検証および量子系のシミュレーションにどのように寄与しているか？

主な発見

• NMRは、現在のすべての量子コンピューティングプラットフォームの中で、最も多くの量子ビットに対してユニバーサル制御を達成している。
• NMRを用いた実験では、複数の核スピンに符号化された論理的量子ビットを用いて、量子エラー訂正が成功裏に実装された。
• ランダム化ベンチマークなどのベンチマークプロトコルがNMRで実装され、忠実度が95％を超える高精度な量子ゲートが達成された。
• NMR量子プロセッサは、量子多体系のシミュレーションおよび、コンテキスト性やもつれといった量子力学の基礎的側面のテストに使用された。
• ダイナミカルデカップリングやエコー・シーケンスといった高度なNMR技術が、コherenct時間の延長およびゲート忠実度の向上に用いられた。
• 本レビューは、NMRが、現在他のプラットフォームでも使用されている量子情報プロトコルの開発と検証のための重要な実験台として機能してきたことを確立している。