[論文レビュー] Quantum information processing using electron spins and cavity-qed

Ataç Îmamoğlu, David P. DiVincenzo+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 1999

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、量子ドット内の電子スピンを用いた固体状態量子コンピューティングアーキテクチャを提案する。このアーキテクチャでは、高精細度のマイクロカビティを介してスピン間の長距離かつコherentなスピン-スピン相互作用を実現する。レーザー駆動Raman遷移とカビティ量子電磁力学を用いることで、ユニバーサルな単一キュービット回転と制御NOTゲートを実現可能であり、個々のスピン状態の光学的測定も可能である。

ABSTRACT

The electronic spin degrees of freedom in semiconductors typically have decoherence times that are several orders of magnitude longer than other relevant timescales. A solid-state quantum computer based on localized electron spins as qubits is therefore of potential interest. Here, a scheme that realizes controlled interactions between two distant quantum dot spins is proposed. The effective long-range interaction is mediated by the vacuum field of a high finesse microcavity. By using conduction-band-hole Raman transitions induced by classical laser fields and the cavity-mode, arbitrary single qubit rotations and controlled-not operations can be realized. Optical techniques can also be used to measure the spin-state of each quantum dot.

研究の動機と目的

• 局所化された量子ドット内の電子スピンを長寿命のキュービットとして用いることで、スケーラブルな固体状態量子コンピューティングプラットフォームを構築すること。
• 固体状態系において空間的に分離したスピン間で制御された2キュービット操作を実装するという課題を克服すること。
• 高精細度マイクロカビティの真空状態を介して、長距離スピン-スピン相互作用を実現すること。
• 古典的レーザー場とカビティモードを用いた光学的制御により、ユニバーサルな量子ゲート操作（単一キュービット回転と制御NOTゲート）を達成すること。
• 光学的手法を用いて個々の量子ドットの電子スピン状態を射影測定可能にすること。

提案手法

• 古典的レーザー場とカビティモード光子が駆動する量子ドットにおける伝導帯から重いホール状態へのRaman遷移を利用する。
• カビティ量子電磁力学（カビティ-QED）を用いて、真空状態の揺らぎを介して、遠く離れた電子スピン間の有効な長距離相互作用を媒介する。
• スピン分裂した基底状態と穴様励起状態を用いて、各量子ドットに2準位系を設計し、キュービット部分空間を定義する。
• レーザー場を用いてスピン状態間のコherentなRaman遷移を駆動し、任意の単一キュービット回転を実現する。
• カビティモードを介して2つの遠く離れた量子ドット間のエンタングルメント相互作用を媒介し、設計されたスピン-光子結合を用いて制御NOTゲートを実現する。
• 光学的検出を用いて、カビティ出力場のモニタリングにより、各量子ドットの最終スピン状態を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カビティ-QEDを用いて、直接的なスピン-スピン結合なしに固体状態系で長距離かつコherentなスピン-スピン相互作用を媒介できるか？
• RQ2 レーザー駆動Raman遷移を用いて、量子ドット内の電子スピンに対してユニバーサルな単一キュービット回転を実行することが可能か？
• RQ3 カビティ媒介相互作用を用いて、2つの遠く離れた電子スピン間で制御NOTゲートを実装できるか？
• RQ4 光学的手法を用いて、各量子ドットのスピン状態を高精度で測定できるか？
• RQ5 このアーキテクチャでフォールトトレランスゲート操作を達成するために、カビティの精細度とレーザー制御にどのような要件が課されるか？

主な発見

• 高精細度マイクロカビティの真空状態の揺らぎを介して、直接的なスピン結合の課題を克服した長距離かつコherentなスピン-スピン相互作用が実現可能である。
• カビティモードを含むレーザー駆動Raman遷移により、量子ドット内の電子スピンに対する任意の単一キュービット回転が達成可能である。
• カビティ媒介相互作用を用いることで、2つの遠く離れた量子ドットスピン間の制御NOT操作が実現可能であり、ユニバーサルな量子計算が可能となる。
• カビティ出力場の検出により、個々の電子スピン状態の光学的測定が可能であり、射影測定が実現可能である。
• 半導体中の電子スピンの長いデコherence時間を利用することで、スケーラブルな量子情報処理のための有望な候補となる。
• 古典的レーザー場とカビティ-QEDの併用により、スケーラブルかつ統合可能な固体状態量子コンピューティングのプラットフォームが実現可能である。