[論文レビュー] Quantum computation by optically coupled steady atoms/quantum-dots inside a quantum electro-dynamic cavity

Prabhakar Pradhan, M. P. Anantram+1 more|ArXiv.org|Feb 2, 2000

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、高精細ファイバー中に閉じ込められた静止状態の3準位原子または量子ドットを用いたスケーラブルな量子計算アーキテクチャを提案する。個々の量子ビットのアドレス指定にはスターリング効果を活用し、共通モードのキャビティ光子を用いて普遍的な量子ゲートを実装する。このモデルにより、1量子ビット回転と制御位相操作による普遍的量子計算が可能となり、デ coherent 時間が操作サイクルより10⁶倍以上長いことが保証され、誤り耐性計算に適している。

ABSTRACT

We present a model for quantum computation using n steady 3-level atoms or 3-level quantum dots, kept inside a quantum electro-dynamics (QED) cavity. Our model allows one-qubit operations and the two-qubit controlled-NOT gate as required for universal quantum computation. The n quantum bits are described by two energy levels of each atom/dot. An external laser and n separate pairs of electrodes are used to address a single atom/dot independent of the others, via Stark effect. The third level of each system and an additional common-mode qubit (a cavity photon) are used for realizing the controlled-NOT operation between any pair of qubits. Laser frequency, cavity frequency, and energy levels are far off-resonance, and they are brought to resonance by modifying the energy-levels of a 3-level system using the Stark effect, only at the time of operation.

研究の動機と目的

• イオントラップやキャビティQEDシステムなどの既存の量子計算プラットフォームにおけるスケーラビリティと個々の量子ビット制御の課題に対処すること。
• キャビティQEDにおける移動原子の制限を克服し、固定された原子または量子ドットを提案することで、安定的かつ繰り返し可能な操作を可能にすること。
• 共通モードのキャビティ光子を介して、1量子ビット回転と2量子ビットの制御位相ゲートのみを用いて普遍的量子計算を実現すること。
• デ coherent 時間をゲート操作時間に対して非常に長く保つことにより、約10⁶の比を達成し、誤り耐性量子計算に不可欠な条件を満たすこと。
• 外部電極とレーザーを用いた制御が可能な固体系に適合可能なモデルを提供すること。

提案手法

• 量子ビットは各3準位原子または量子ドットの2つの最低準位に符号号化され、第3準位は制御された相互作用に使用される。
• 局所的な電極に外部電圧を印けることでスターリング効果を発生させ、標的の量子ビットのみのエネルギー準位をシフトさせることで、個々の量子ビットのアドレス指定を実現する。
• キャビティ光子が共通モードの量子ビットとして機能し、共鳴相互作用によって任意の2量子ビット間のエンタングルメントを媒介する。
• 制御位相操作は、標的の量子ビットとキャビティを逐次共鳴状態にすることで実装され、Rabi振動時間π/Ωcを経て、その後πパルスで状態をスワップする。
• 非共鳴状態での進化を最小限に抑えるために、大きなデチューニング（δ ≈ 4×10⁶ Hz）を維持し、非操作期間中の位相蓄積を無視できる程度に抑える。
• 測定は、量子ビットをキャビティに共鳴的に結合させ、その状態を光子に転送し、外部でその光子を検出することで実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の量子ビットを個別にレーザーを用いずに、局所的な電場でのみアドレス指定可能か？
• RQ2 スケーラブルなアーキテクチャにおいて、共通モードのキャビティ光子が任意の2量子ビットペア間で普遍的な2量子ビットエンタングルメントゲートを媒介可能か？
• RQ3 固定された原子または量子ドットをキャビティ内に配置した系において、デ coherent 時間をゲート操作時間に対して十分に長く保てるか？
• RQ4 非共鳴状態での位相進化を十分に抑制でき、信頼性のあるゲート操作が可能か？
• RQ5 このモデルは、長寿命のコherencyを持つ量子ドットを用いた固体系に拡張可能か？

主な発見

• デ coherent 時間とゲート操作時間の比が約10⁶に達しており、コherency ウィンドウ内に最大10⁶回の操作を実行可能であることを示している。
• Rydberg原子（ωge₀ ≈ 5×10¹⁰ Hz、Ωc ≈ 4×10⁵ Hz、δ ≈ 4×10⁶ Hz）において、大きなデチューニングにより非共鳴状態での位相進化は無視できるほど小さい。
• 量子ドット（ωge₀ ≈ 1 THz、Ωc ≈ 10⁸ Hz）においては、位相コherェンス長が1/Ωcを超える限り、系はコherently保たれることが可能であり、孤立した設計された量子ドットでは実現可能である。
• スターリングシフトの使用により、空間的に焦点を合わせたレーザーを必要とせず、個々の量子ビットを選択的にアドレス指定でき、スケーラビリティが実現可能である。
• 制御位相ゲートは、共鳴Rabi振動とπパルスのシーケンスにより実装され、各操作後にキャビティは真空状態に戻る。
• 量子ビット状態を共鳴結合によりキャビティ光子に転送し、外部でその光子を検出することで、最終状態の測定が可能である。