[論文レビュー] Quantum Computing in the Dark

Ben Tregenna, Almut Beige+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2001

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、環境による量子ゼノウ効果に依存せず、完全に力学的メカニズムによってデコherenceフリーな操作を達成するための原子を用いた光学キャビティにおける量子計算スキームを提案する。この手法により、自発的放出が顕著に抑制され、安定なキュービットおよびゲート操作が可能となり、三準位原子に類似した巨視的ダーク期間を示すため、『暗黒における量子計算』と呼ばれる。

ABSTRACT

Decoherence-free subspaces allow for the preparation of coherent and entangled qubits for quantum computing. Decoherence can be dramatically reduced, yet dissipation is an integral part of the scheme in generating stable qubits and manipulating them via one and two bit gate operations. Previous explanations of decoherence-free operations have used an environment-induced quantum Zeno effect. In this paper a purely dynamical explanation is given for why the scheme based on atoms inside an {\\em optical cavity} works. In addition, we show how spontaneous emission by the atoms can be highly suppressed. Because the system behaves very similarly to three-level atoms exhibiting macroscopic dark periods the proposed scheme can be called ``quantum computing in the dark.''

研究の動機と目的

• 量子ゼノウ効果に依存しないデコherenceフリーな量子計算フレームワークの構築を目的とする。
• 量子系における散逸の課題に、回避するのではなく利用可能であることを示すことを目的とする。
• キャビティベースの量子計算におけるキュービットの安定性の動的説明を提供することを目的とする。
• 光学キャビティ内に閉じ込められた原子キュービットにおける自発的放出の顕著な抑制を実証することを目的とする。

提案手法

• 光学キャビティに閉じ込められた原子を用いて、内在的なデコherenceフリーな部分空間を持つ系を構築する。
• 原子とキャビティモードの間の力学的相互作用を活用して、キュービット状態を安定化する。
• 巨視的ダーク期間を示す三準位系に類似した構成としてシステムをモデル化する。
• 量子光学的手法を用いて、自発的放出レートとその抑制を分析する。
• ユニタリな時間発展とマスター方程式の両アプローチを用いて、系のダイナミクスを記述する。
• ゲート操作がダーク状態マニフォールド内での制御された相互作用によって実装可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ゼノウ効果に依存せずに、量子計算系におけるデコherenceをどのように抑制できるか？
• RQ2 キャビティ-QED系において、どのような力学的メカニズムが安定なキュービットの準備と操作を可能にするか？
• RQ3 光学キャビティ内の原子において、自発的放出はどの程度抑制可能か？
• RQ4 なぜ特定の原子-キャビティ系が三準位原子に類似した巨視的ダーク期間を示すのか？
• RQ5 このようなデコherenceフリーな部分空間において、1キュービットおよび2キュービットのゲート操作をどのようにして頑健に実装できるか？

主な発見

• キャビティを介した相互作用における力学的キャンセレーションにより、自発的放出が効果的に抑制される。
• システムは巨視的ダーク期間を示し、外部制御なしに長寿命なコherenecが維持されることを示している。
• デコherenceは完全に排除されるのではなく、原子-キャビティ系の内在的ダイナミクスによって管理される。
• 量子ゼノウ効果の必要性を排除する、完全に力学的説明によるデコherenceフリー動作の実現が可能である。
• 1キュービットおよび2キュービットのゲート操作が、ダーク状態部分空間内で安定して実装可能である。
• システムの挙動は、電磁誘導透過における三準位原子と類似しており、頑健な量子情報処理が可能である。