[論文レビュー] Quantum computation with three-electron double quantum dots at an optimal operation point

Sebastian Mehl|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ノイズに強く敏感でないスイートスポットで動作する三電子二重量子ドット（ハイブリッドキュービット）を用いた普遍的かつ高忠実度の量子計算スキームを提案する。電場制御による単一キュービットゲートと、弱いクーロン相互作用・交換相互作用を用いた二キュービットエンタングルゲートを活用することで、SiおよびGaAsプラットフォームにおける現実的なノイズ条件下でも、高忠実度のロバストな量子制御を実現する。

ABSTRACT

The author analyzes quantum computation with the hybrid qubit (HQ) that is encoded using the three-electron configuration of a double quantum dot. All gate operations are controlled with electric signals, while the qubit remains at an optimal operation point that is insensitive to noise. An effective single-qubit description is derived, and two-qubit interactions are suggested using Coulomb and exchange interactions. Universal quantum control is described and numerically simulated using realistic parameters for HQs in Si and GaAs. High-fidelity quantum computing at the threshold of quantum error correction is possible if the Coulomb interactions between the HQs stay weak.

研究の動機と目的

• 三電子二重量子ドット（ハイブリッドキュービット）を用いた普遍的量子計算を可能にするとともに、ノイズに強く敏感でないスイートスポットでの動作を維持すること。
• 回避レベルクロスイングを介して動作させることで、低周波数電荷ノイズに対してロバストな電場駆動型単一キュービットゲートの開発。
• ハイブリッドキュービット間の弱いクーロン相互作用および交換相互作用を用いて二キュービットエンタングルゲートを設計し、高忠実度制御と互換性を保つこと。
• すべてのキュービットがスイートスポットで動作する条件下で、現実的なノイズ源のもとでも高忠実度の量子操作が達成可能であることを示すこと。
• シリコンおよびガリウムヒ素プラットフォームにおける初期化、測定、および普遍的ゲートセットの実験的に実現可能なプロトコルの提供。

提案手法

• 三電子二重量子ドットにおける(1,2)および(2,1)電荷状態近辺の回避レベルクロスイングを用いた摂動解析により、ハイブリッドキュービットの有効単一キュービットハミルトニアンを導出する。
• 二階シュリフェル＝ウルフ摂動理論を適用し、全多体ハミルトニアンを有効な低エネルギー部分空間にマッピングすることで、キュービット状態を漏れ出しチャネルから分離する。
• 隣接する量子ドット間のクーロン相互作用および交換相互作用をモデル化し、仮想励起状態間の行列要素から結合強度を導出する。
• ゲート性能を評価するために、エンタングルメント忠実度指標（式28）を用い、最大にエンタングルされたベル状態における実際の時間発展と理想状態との比較を行う。
• SiおよびGaAsハイブリッドキュービットの現実的なパラメータを用いた数値シミュレーションを実施し、電場および磁場ノイズを含む主要なノイズ源を考慮する。
• 単一および二キュービット操作の全過程でキュービットがスイートスポットに保たれるようにチューニングプロトコルを設計し、低周波数ノイズによるデコherenceを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三電子二重量子ドットにエンコードされたハイブリッドキュービットは、ノイズに強く敏感でないスイートスポットで動作させつつ、高忠実度の単一キュービット操作を実現可能か？
• RQ2 強い結合を必要とせず、ハイブリッドキュービット間の弱いクーロン相互作用および交換相互作用のみを用いて、二キュービットエンタングルゲートをどのように実装できるか？
• RQ3 回避レベルクロスイングが、高忠実度の電場駆動型単一キュービットゲートを可能にする役割は何か？
• RQ4 ハイブリッドキュービットは、電荷ノイズからのスピン的保護を保持しつつ、チャネルキュービットの高速チューニング性を維持できる程度のスピン的性質をどの程度保持できるか？
• RQ5 SiおよびGaAsプラットフォームにおいて、すべてのキュービットがスイートスポットで動作する条件下で、現実的なノイズモデルのもとで達成可能なゲート忠実度はどの程度か？

主な発見

• 回避レベルクロスイングを電場パルスで通過させることで、スイートスポットでの動作を維持しつつ、高忠実度の単一キュービットゲートを実現可能である。
• 二キュービットエンタングルゲートは、ハイブリッドキュービット間の弱いクーロン相互作用および交換相互作用によって実現され、有効ハミルトニアンは二階シュリフェル＝ウルフ摂動理論により導出される。
• 現実的なノイズ条件下でのシミュレートされたゲート操作において、エンタングルメント忠実度が0.99を超えることが確認され、高忠実度の量子制御が達成可能であることが示された。
• スイートスポットにおいても、ハイブリッドキュービットは十分なスピン的性質を保持しており、電荷ノイズからの保護が可能である一方で、チャネルキュービットと同等の高速チューニング性を維持している。
• 数値シミュレーションにより、SiおよびGaAsプラットフォームにおいて、キュービット間のクーロン相互作用が弱いかぎり、普遍的量子制御が現実的なパラメータで実現可能であることが確認された。
• 本アプローチは、フェイルセーフ量子エラー補正のしきい値に達する高忠実度量子計算を実現しており、すべてのキュービットがノイズに強く敏感でないスイートスポットで動作している。