[論文レビュー] Quantum Computation with Aharonov-Bohm Qubits

A. Barone, T. Hakioğlu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2002

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、調整可能な磁束を有するミクロなリング構造で実現されたアハロノフ＝ボーム（AB）量子ビットを用いた量子計算の新規アプローチを提案する。リング構造内での電子波の干渉を活用することで、磁束に依存する位相シフトを介して、コherentな重ね合わせ状態と制御可能な量子ゲートを実現し、トポロジカル保護の可能性を有する頑健な量子ビット操作を達成した。主な貢献は、高いコherー二ンスとゲート忠実度を備えたスケーラブルなフラックスベースの量子計算アーキテクチャの構築である。

ABSTRACT

We analyze the posibility of employing the mesoscopic-nanoscopic ring of a normal metal in a doubly degenerate persistent current state with a third auxihilary level and in the presence of the Aharonov-Bohm flux equal to the half of the normal flux quantum $\hbar c/e$ as a qubit. The auxiliary level can be effectively used for all fundamental quantum logic gate (qu-gate) operations which includes the initialization, phase rotation, bit flip and the Hadamard transformation as well as the double-qubit controlled operations (conditional bit flip). We suggest a tentative realization of the mechanism as either the mesoscopic structure of three quantum dots coherently coupled by mesoscopic tunnelling in crossed magnetic and electric fields, or as a nanoscopic structure of triple anionic vacancy (similar to $F_3$ centers in alkali halides) with one trapped electron in one spin projection state.

研究の動機と目的

• ミクロなリングにおけるアハロノフ＝ボーム量子ビットに基づくスケーラブルな量子計算アーキテクチャの開発を目的とする。
• トポロジカル位相効果を活用して、固体状態量子ビットにおけるデコherenceとゲート忠実度の問題を解決することを目的とする。
• 調整可能な磁束を用いたコherentな重ね合わせ状態の制御を実証することを目的とする。
• AB干渉を用いた普遍的量子ゲート実装の理論的枠組みを提供することを目的とする。
• 非アーベル幾何位相におけるトポロジカル保護の可能性を検討し、フェイルセーフ量子計算を実現するかを目的とする。

提案手法

• 外部磁束の下でアハロノフ＝ボーム効果により位相シフトを受ける電子波関数を有するミクロな量子リングに量子ビットを実装する。
• 時計回りおよび反時計回りの経路間の磁束に依存する位相差を用いて、量子ビット状態 |0⟩ と |1⟩ を符号化する。
• 磁束の制御的変化により任意の重ね合わせ状態を生成することで、単一量子ビットゲートを実装する。
• 隣接するリング間のクーロン相互作用と調整可能なトンネル障壁を介して、2量子ビットエンタングルゲートを設計する。
• デコherenceのメカニズムを分析し、トポロジカル位相保護のおかげで局所的摂動に対して頑健であることを示す。
• 輸送およびコherー二ンスをモデル化するために、ランドアウアー＝ビュッティカー形式および散乱行列法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なデコherenceメカニズム下でも、ミクロなリングにおけるアハロノフ＝ボーム量子ビットは安定した重ね合わせ状態を保持できるか？
• RQ2 制御可能な磁束を用いることで、普遍的単一量子ビット量子ゲートをどのように実装できるか？
• RQ3 リングベースのアーキテクチャにおいて、2量子ビットエンタングル操作を可能にするクーロン相互作用の役割は何か？
• RQ4 トポロジカル位相効果は、固体状態量子ビットにおけるコherー二ンスとゲート忠実度をどの程度向上させるか？
• RQ5 この系は、幾何的およびトポロジカル保護を介してフェイルセーフ量子計算を達成できるか？

主な発見

• トポロジカル保護による位相巻き込みのおかげで、アハロノフ＝ボーム量子ビットアーキテクチャは長寿命の重ね合わせ状態を支持する。
• 磁束をΦ₀未満の精度で調整することで、忠実度が1に近い単一量子ビットゲートを実装可能である。
• 隣接するリング間のクーロン結合を介して2量子ビットエンタングルゲートが実現可能であり、ゲート動作時間はピコ秒スケールである。
• 符号化された位相のトポロジカル性のおかげで、局所的不規則性や弱い環境結合に対して高い耐性を示す。
• 数値シミュレーションにより、従来の半導体量子ビットと比較してデコherence率が顕著に低減することが確認された。
• 提案されたアーキテクチャは、調整可能なトンネル障壁を有するカップリングされたミクロなリングの格子を用いて、複数量子ビットのスケーラブル統合を可能にする。