[論文レビュー] Quantum information processing in semiconductor nanostructures

John H. Reina, Luis Quiroga+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2000

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、半導体量子ドットにおける2つの量子情報処理スキームを提案する：(1) 連結量子ドット内の制御された光パルスを用いた全光的Bell状態およびGHZ状態の生成により、固体状態量子トランスポートを実現する；(2) 外部磁場による電子-核スピン間のハイペルフィン結合の調整を用いたNMRベースの量子スイッチであり、長時間のデ coherent 時間を有する耐障害性の高い量子ロジックゲートを実装する。主な貢献は、現実的なデコherence条件下でも固体系における量子ビットの実現可能で一貫性のある制御を示したことにある。

ABSTRACT

A major question for condensed matter physics is whether a solid-state quantum computer can ever be built. Here we discuss two different schemes for quantum information processing using semiconductor nanostructures. First, we show how optically driven coupled quantum dots can be used to prepare maximally entangled Bell and Greenberger-Horne-Zeilinger states by varying the strength and duration of selective light pulses. The setup allows us to perform an all-optical generation of the quantum teleportation of an excitonic state in an array of coupled quantum dots. Second, we give a proposal for reliable implementation of quantum logic gates and long decoherence times in a quantum dots system based on nuclear magnetic resonance (NMR), where the nuclear resonance is controlled by the ground state transitions of few-electron QDs in an external magnetic field. The dynamical evolution of these systems in the presence of environmentally-induced decoherence effects is also discussed.

研究の動機と目的

• 半導体ナノ構造を用いたスケーラブルで固体状態の量子情報処理プラットフォームの開発を目的とする。
• 光ドライブされた連結量子ドットを用いて、最大にエンタングルされた励起子状態（BellおよびGHZ）の生成と制御を可能にする。
• 調整可能なハイペルフィン結合を介して、量子ドット内の核スピン量子ビットを用いた信頼性の高い、低デコherenceのメカニズムによる量子ロジックゲートの実装を提案する。
• 環境によるデコherence、特にフォノンに起因するものであっても、駆動された量子ドット系において量子コherenceが必ずしも破壊されないことを示す。
• 単一量子ビット回転およびC-NOTゲートを高精度で実行可能な固体状態NMRベースの量子スイッチの構築を確立する。

提案手法

• 連結量子ドット内の電子状態間のコherentなラビ振動を駆動するための選択的光パルスの使用により、Bell状態およびGHZ状態の準備を可能にする。
• 擬スピン演算子および密度行列形式を用いて、2ドットおよび3ドット系におけるエンタングルされた励起子状態のダイナミクスをモデル化する。
• 時間に依存する摂動論を適用して、外部光的制御下での系のユニタリな時間発展を分析する。
• 外部磁場下における少数電子量子ドットの電子基底状態遷移を用いて、核スピン1/2不純物とのハイペルフィン結合を調整する。
• 磁場を変化させることで核共鳴周波数を制御する量子スイッチの設計を行い、電子-核スピン相互作用を断続的に調整可能にする。
• 断続的ゲーティングプロトコルを用いて、電子系が新しい基底状態に緩和されるが核スピン量子ビットのコherenceが損なわれないことを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大にエンタングルされたBell状態およびGHZ状態を、光的制御のみを用いて固体系で生成できるか？
• RQ2 光的手段による全光的制御で、連結量子ドットアレイにおける励起子状態の量子トランスポートを実現できるか？
• RQ3 量子ドット内の核スピン量子ビットを用いて、長時間のデコherenceを有する耐障害性の高い量子ロジックゲートを実装できるか？
• RQ4 フォノンに起因するデコherenceは、量子ドット内の光的駆動励起子状態のコherenceにどのように影響するか？
• RQ5 電子基底状態遷移を操作することにより、外部磁場を用いて量子ドット内の核磁気共鳴周波数を調整できるか？

主な発見

• 選択的光パルスを用いた連結量子ドットにおいて、Bell状態およびGHZ状態を生成可能であり、その忠実度はパルスの持続時間および強度に依存する。
• 提案されたスキームにより、固体状態の量子ドットアレイにおける励起子状態の全光的量子トランスポートが実現可能である。
• ゲーティング時間がエネルギー分裂の逆数よりも十分に長い限り、フォノンに起因するデコherenceが駆動系のコherenceを必ずしも破壊しない。
• ゲーティング時間τgの下限は約1 psと推定され、デコherence時間τdec ≈ 10^9 τgであるため、耐障害性の高い量子計算が可能である。
• デコherenceが生じるまでの操作回数は約10^9回と推定され、耐障害性の量子エラー訂正に必要な10^4–10^5の閾値を大きく上回る。
• NMRベースの量子スイッチにより、磁場変化によるハイペルフィン結合の断続的調整を通じて、単一量子ビット回転およびC-NOTゲートが実現可能であり、電子の緩和が核スピンコherenceを損なわない。