[論文レビュー] Programming Pulse Driven Quantum Computers

Seth Lloyd|ArXiv.org|Dec 17, 1999

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 5被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、正確にタイミングを合わせた電磁界パルスで駆動される弱く結合された量子系のアレイに基づくスケーラブルで普遍的な量子コンピュータアーキテクチャを提案する。周波数と持続時間の定義されたパルスのシーケンスをプログラミングすることで、系は量子コherentな操作を実行し、重ね合わせ状態やユニタリな時間発展を実現するが、エネルギー散逸は誤り訂正のためのものに限定される。これにより、誤り耐性のある量子計算への物理的に実現可能な道筋が示された。

ABSTRACT

Arrays of weakly-coupled quantum systems can be made to compute by subjecting them to a sequence of electromagnetic pulses of well-defined frequency and length. Such pulsed arrays are true quantum computers: bits can be placed in superpositions of 0 and 1, logical operations take place coherently, and dissipation is required only for error correction. Programming such computers is accomplished by selecting the proper sequence of pulses.

研究の動機と目的

• 弱く結合された量子系を用いた普遍的な量子コンピュータの物理的に実現可能なアーキテクチャを示すこと。
• 電磁パルスのシーケンスによるコherentな制御によって量子計算が達成可能であることを示すこと。
• エネルギー散逸は計算自体には必要ではなく、誤り訂正のためのものに限定されることを確立し、誤り耐性動作を支持すること。
• 光学的または磁気共鳴技術を用いて量子アルゴリズムを実装する実用的なフレームワークを提供すること。
• パルスプログラミングを通じて、理論的量子計算と実験的実現可能性を橋渡しすること。

提案手法

• 外部の電磁界によってアドレス可能な、弱く結合された量子系のアレイをキュービットとして用いる。
• 特定の周波数と持続時間の電磁パルスのシーケンスを適用することで、制御されたユニタリな時間発展を実現し、量子論理ゲートを実装する。
• 量子コherently性を活用して、計算状態（|0⟩ と |1⟩）の重ね合わせをゲート操作中に準備する。
• すべての論理的操作がユニタリかつ可逆的であり、計算全体にわたり量子コherent性を維持することを保証する。
• 普遍的なゲートセット（例：単一キュービット回転と制御NOTゲート）を実装するためのパルスシーケンスを設計する。
• 誤り訂正のために必要な場合にのみ制御されたエネルギー散逸を導入し、計算中のデコherenceを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱く結合された量子系を電磁パルスで駆動することで、スケーラブルな量子コンピュータを構築可能か？
• RQ2 連続的な制御を要せず、コherentなパルスシーケンスによって普遍的な量子計算が可能か？
• RQ3 誤り耐性動作を可能にするために、計算中に量子コherent性をどのように維持できるか？
• RQ4 任意の単一および二キュービットゲートを実装するために必要なパルスパラメータ（周波数、持続時間、振幅）は何か？
• RQ5 提案されたアーキテクチャは、既存の光学的または磁気共鳴技術で実現可能か？

主な発見

• パルス駆動の量子コンピュータモデルは、電磁パルスのプログラマブルなシーケンスによって普遍的な量子計算を支持する。
• パルスが正確に制御されていれば、計算中に重ね合わせ状態やもつれ状態が維持される。
• システムはコherentに動作し、エネルギー散逸は論理操作には不要で、誤り訂正のためのものに限定される。
• モジュール式の弱く結合された量子系のアレイに依存するため、原則としてスケーラブルである。
• トラップイオン、量子ドット、またはNMR系などの既存の実験的プラットフォームと互換性がある。
• 1993年のScience論文によって裏付けられた理論的枠組みが、機能的な量子コンピュータの実装のための実用的ブループrintを提供する。