[論文レビュー] Quantum information processing using quantum dot spins and cavity-QED

Ataç Îmamoğlu, D. D. Awschalom+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 1999

Quantum and electron transport phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、半導体量子ドットの電子スピンをキュービットとして用い、高精細度のマイクロカビティを介して長距離かつコherentな2キュービット操作を可能にする、スケーラブルな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。この方式により、レーザー場とカビティ光子を用いて、並列的かつすべて光学的な方法で普遍的な量子ゲートと1回の測定によるスピン状態測定が実現可能であり、理論的分析ではゲートの忠実度が主にカビティ光子の崩壊と仮想的空孔励起に制限される可能性がある。

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, parallel controlled-not operations and arbitrary single qubit rotations 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

• 局所的電子スピンをキュービットとして用いる量子ドットプラットフォームを、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として開発すること。
• 従来の量子ドット方式における局所的相互作用の制限を克服し、長距離かつコherentな2キュービット操作を可能にすること。
• カビティ-QED技術を活用して、物理的接近を要せず、高速かつコherentな遠く離れたキュービット間の相互作用を実現すること。
• レーザー場とカビティモードのみを用いて光学的制御による普遍的量子計算を達成することにより、並列的な単一および2キュービット操作を可能にすること。
• カビティ支援光子放出を用いて、高効率な1回の測定によるスピン状態測定を実現すること。

提案手法

• III-VまたはII-VI族半導体量子ドット内の電子スピンをキュービットとして用い、横磁場を用いて|↓⟩と|↑⟩の状態を定義する。
• 単一キュービット回転は、古典的レーザー場によって駆動される2色で非共鳴なラーマン遷移により実装され、ラーマン共鳴条件に合わせた周波数に調整される。
• 2キュービット制御NOT（CNOT）操作は、1モードのマイクロカビティを介して媒介され、カビティ場がスピン状態間のラーマン遷移に結合する。
• カビティモードはx偏光であり、QDsと強く結合されており、仮想光子交換を介した長距離スピン-スピン相互作用を可能にする。
• スピン測定は、ターゲットQDに共鳴レーザー場を印加することで実現され、|↑⟩状態では検出可能なカビティ光子放出が生じる。
• 近場技術またはゲート調整可能なg因子を用いて個々のQDを選択的にアドレス可能とし、回折限界を超えたスケーラビリティを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体状態プラットフォームにおけるカビティ-QEDを用いて、離れた量子ドットスピン間で長距離かつコherentな2キュービット相互作用を達成できるか？
• RQ2 ラーマン遷移とカビティ媒介結合を用いて、すべて光学的かつ並列的な単一キュービット回転およびCNOT操作を実装できるか？
• RQ3 この方式における主要なデコherence要因は何か？ そして、それらは高忠実度の量子ゲートを達成するために抑制可能か？
• RQ4 カビティ支援光子放出を用いて、高効率に1回の測定によるスピン状態測定が可能か？
• RQ5 選択的アドレス指定とカビティ媒介エンタングルメントを用いて、100キュービットを超えるスケーリングが可能か？

主な発見

• 本方式では、光学的制御のみを用いて普遍的量子計算が可能であり、複数のQDsにわたる並列的な単一キュービット回転とCNOT操作が実装可能である。
• 仮想的空孔励起による有効デコherence時間は約100 nsと推定され、カビティ崩壊による有効デコherence時間は約1 nsに制限され、光子損失が主な技術的ボトルネックとなる。
• 単一光子検出を用いたスピン測定忠実度が達成可能である：|↑⟩状態ではカビティからの検出可能な光子漏れが生じるが、|↓⟩状態では放射が生じない。
• ラーマン遷移の使用により、価電子帯の空孔の直接励起が最小限に抑えられ、スピン軌道結合に起因するデコherenceが低減される。仮想的空孔状態の割合は約1%と推定される。
• 近場技術を用いることで、1つのカビティモードあたり少なくとも20個の個別にアドレス可能なQDsへのスケーラビリティが可能であり、ゲート調整可能なg因子を用いた大規模アレイへの応用の可能性も示唆される。
• 理論的分析により、断続的遷移スキームを用いることで、仮想励起をさらに抑制し、現在の推定値を上回るゲート忠実度を達成できる可能性がある。