[論文レビュー] Quantum Information Processing in Nanostructures

Alexandra Olaya-Castro, Neil F. Johnson|ArXiv.org|Jun 18, 2004

Photonic and Optical Devices参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、半導体ナノ構造、特に量子ドットを用いた全光的量子情報処理（QIP）を提案する。励起子およびスピン基底のキュービットを用い、超高速光的制御、キャビティQED、および光励起によるデコherence低減により、エンタングルド光子の生成や非古典的光子統計を特徴とするスケーラブルで頑健なQIPを実現する。

ABSTRACT

Semiconductor quantum dots integrated with ultrafast spectroscopy technology are prime candidates for building scalable architectures for Quantum Information Processing. In this review paper we survey the current state of theoretical proposals concerning all-optical control of nanostructure qubits and their interactions. These schemes offer potential for ultrafast optical manipulation of quantum information in time scales within the coherence time.

研究の動機と目的

• 半導体ナノ構造、特に量子ドットを、スケーラブルな量子情報処理（QIP）の実用的プラットフォームとして確立すること。
• 超高速光的制御と設計された環境を活用することで、固体系におけるデコherenceの課題に取り組むこと。
• 量子ドットにおける励起子およびスピン基底のキュービットを用いて、ユニバーサルな量子操作を実現すること。
• 非古典的光子統計およびダイナミクスが、ナノ構造内での量子相関を特徴付ける役割を調査すること。
• バイオ分子および有機ナノ構造をハイブリッド量子情報システムに統合する道筋を同定すること。

提案手法

• 量子ドット内の励起子状態をキュービットとして、超高速光的スケームを用いてコherentに制御する。
• キャビティ量子電磁力学（cavity QED）を用いて、光・物質相互作用を強化し、決定的量子ゲートの実現を可能にする。
• 光励起技術を用いてデコherenceを制御し、特定の量子状態を準備する。
• 条件付き量子進化および非マークフ・スのダイナミクスを分析し、デコherence効果をモデル化・低減する。
• 2次光子相関関数（g²）を用いて、非古典的光子放出およびエンタングルメントの兆候を検出する。
• フォルスターレゾネンスエネルギー移動（FRET）および2光子励起過程を調査し、結合量子ドットでベル状態を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体量子ドットは、全光的制御を用いて、頑健でスケーラブルな量子情報処理を可能にするか？
• RQ2 光励起および非マークフ・スの制御戦略により、ナノ構造内のデコherenceはどのように低減可能か？
• RQ3 非古典的光子統計は、ナノ構造系におけるエンタングルメントおよび量子相関を同定する上で、どのような役割を果たすか？
• RQ4 光合成系などのバイオ分子および有機ナノ構造は、量子情報処理のプラットフォームとして利用可能か？
• RQ5 結合量子ドットにおける2光子励起により、エンタングルド光子状態はどのように生成・検出可能か？

主な発見

• 量子ドットにおける励起子キュービットの全光的制御により、局所的および非局所的デコherence時間より短いスケールで高速かつコherentな操作が可能となる。
• キャビティQEDは光・物質結合を強化し、ユニバーサルな量子ゲートおよび決定的量子操作の実現を可能にする。
• 光励起は、デコherenceのない部分空間に系を準備するか、選択的状態準備により、デコherenceを効果的に抑制できる。
• 非古典的光子統計、たとえば光子反相関および2次相関関数（g² < 1）は、量子ドット系における量子コherー二ャンスおよびエンタングルメントの実験的兆候として機能する。
• フォルスターレゾネンスを介した2光子励起により、二重量子ドットアレイでベル型エンタングルド状態（α|00⟩ + β|11⟩）を生成可能である。
• フェムト秒スケールのコherentなFRETおよび非古典的光子相関は、結合ナノ構造における量子効果が超高速スケールでプローブおよび利用可能であることを示唆する。