[論文レビュー] Phase control of local and non-local entanglement in a triple spin qubit

Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、3つのアドレス可能なスピンキュービットを備えた三量子ドット（QD）系を用いて、局所的および非局所的エンタングルメントの位相制御を実証した。第3の交換結合スピンを制御キュービットとして用いることで、局所的なゼーマン場を介して隣接する2つのキュービットにおけるスイングル状態-トリプレット状態の振動を位相変調し、局所的に結合されたキュービット対および非局所的にエンタングルされたスピン対の両方におけるエンタングルメントのコherent制御を達成した。

ABSTRACT

Entanglement is at the heart of quantum mechanics and an essential ingredient of spin correlations in superconductivity and the Kondo effect and quantum non-locality of noninteracting particles1–4. Non-local entanglement is also key to quantum computation outperforming classical computers5 and has now begun to be applied to various atom and photonbased quantum information technologies6. Despite many technical advances in manipulating electron spins in solids, entanglement control has only been realized for two coupled qubits in quantum dots (QDs), mainly by local SWAP operations7–11. Here we use a triple QD with three addressable spin qubits to demonstrate phase control of locally entangled two or three electron spins and two non-locally entangled uncoupled spins. Singlet-triplet oscillation of two locally entangled spins in adjacent dots is induced by a built-in local Zeeman field, and phase-modulated using the exchange-coupled third spin as a control bit. Non-local entangle-

研究の動機と目的

• 三量子ドットアーキテクチャにおける第3のアドレス可能なスピンキュービットを活用することで、2キュービット系にとどまらないエンタングルメント制御を拡張すること。
• 組み込みのゼーマン場と交換結合を用いて、局所的に結合された電子スピンのエンタングルメントにおけるコherent位相変調を達成すること。
• 第3のスピンキュービットを介した間接的制御により、結合のないスピン間における非局所的エンタングルメントを実証すること。
• 多キュービットスピン系におけるエンタングルメント位相の動的制御を可能にすることで、スケーラブルな量子情報処理プラットフォームを確立すること。

提案手法

• スピン状態の精密な制御を可能にするために、3つの個別にアドレス可能な電子スピンキュービットを備えた三量子ドット（QD）アレイを用いる。
• 隣接する2つのキュービットにおけるスイングル-トリプレット振動を誘発するための局所的ゼーマン場を用い、コherentな局所的エンタングルメントを実現する。
• 第3のキュービットとエンタングルされたペアとの間の交換結合を用いて、エンタングルメントの位相変調のための制御ビットとして機能させる。
• 調節可能な交換相互作用を適用することで、非局所的キュービット間に直接結合がなくても、エンタングルド状態の相対位相をコherentlyに操作する。
• エンタングルメントと位相制御の忠実度を検証するために、量子状態トモグラフィーと時間分解測定を用いる。
• 現実の固体状態的制約下でも、局所的および非局所的エンタングルド状態の両方において、コherenceと制御を維持するようにシステムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的相互作用と制御キュービットのみを用いて、3スピンキュービット系におけるエンタングルメントの位相制御が可能か？
• RQ2 交換結合された第3のスピンが、2つの局所的に結合したキュービット間のエンタングルメント位相をどのように変調するか？
• RQ3 第3のスピンを介した間接的制御により、三量子ドットアーキテクチャにおいて結合のないスピン間の非局所的エンタングルメントは実現可能か？
• RQ4 現実のゼーマン場および交換結合条件下で、この系における位相変調エンタングルメントのコherenceと忠実度はどの程度か？
• RQ5 2キュービット系にとどまらないエンタングルメント制御の拡張が可能であるため、このアーキテクチャはスケーラブルな量子情報処理をサポートできるか？

主な発見

• ゼーマン場と第3のスピンキュービットへの交換結合を介して、局所的にエンタングルされた2電子状態の位相制御が達成され、エンタングルメント位相のコherent操作が可能となった。
• 第3のスピンが制御キュービットとして機能し、隣接するキュービットペアにおけるスイングル-トリプレット重ね合わせの相対位相を変調した。これは条件付き制御の実証である。
• 第3のスピンを介した間接的結合により、結合のないスピン間における非局所的エンタングルメントが実現され、固体状態プラットフォームにおける非局所的エンタングルメントの実現可能性が確認された。
• スイングル状態とトリプレット状態の間でコherentな振動が観測され、測定可能な位相差が示され、高忠実度のエンタングルメント制御が示された。
• 実験的セットアップにより、エンタングルドペア間の直接的スピン-スピン相互作用がなくても、エンタングルメント位相の動的チューニングが可能となった。
• 本結果により、三量子ドットアーキテクチャが、位相制御を伴う局所的および非局所的エンタングルメントを両方サポートできることを示し、多キュービット量子論理演算への道筋が示された。