[論文レビュー] Quantum spin transistors in superconducting circuits

Niels Jakob Søe Loft, Lasse Bjørn Kristensen+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ヘイゼンベルグ相互作用を有する4つのトランモンキュービットを用いた超伝導量子スピントランジスタを提案し、2つのゲートキュービットによって制御される完全な状態転送またはブロッキングを実現する。このデバイスは外部制御を最小限に抑え、内在的ダイナミクスに依存して動作し、現実的なデ coherent 損失下でも高精度な動作を達成しており、モジュール型量子コンピューティングに向けたスケーラブルで高性能な量子トランジスタ設計を示している。

ABSTRACT

Transistors play a vital role in classical computers, and their quantum mechanical counterparts could potentially be as important in quantum computers. Where a classical transistor is operated as a switch that either blocks or allows an electric current, the quantum transistor should operate on quantum information. In terms of a spin model the in-going quantum information is an arbitrary qubit state (spin-1/2 state). In this paper, we derive a model of four qubits with Heisenberg interactions that works as a quantum spin transistor, i.e. a system with perfect state transfer or perfect blockade depending on the state of two gate qubits. When the system is initialized the dynamics complete the gate operation, hence our protocol requires minimal external control. We propose a concrete implementation of the model using state-of-the-art superconducting circuits. Finally, we demonstrate that our proposal operates with high-fidelity under realistic decoherence.

研究の動機と目的

• 量子情報のスイッチとして機能する量子トランジスタを設計すること。これは古典的トランジスタのアナロジーであり、キュービット状態上で動作する。
• ヘイゼンベルグXXZ型相互作用を有する4キュービット系を実装し、ゲートキュービットの状態に応じて完全な状態転送または完全なブロッキングを可能にする。
• スケーラビリティと既存の量子コンピューティングプラットフォームとの互換性を考慮し、最新の超伝導回路、特にトランモンキュービットを用いてデバイスを実現すること。
• 現実的なデ coherent 損失およびクロスタッチ効果下でも高精度な動作を示し、量子ネットワークへの実用的妥当性を保証すること。
• 外部制御を最小限に抑え、初期状態の準備に依存する内在的ダイナミクスに依存することで、初期化後はアクティブな制御を一切不要なゲート動作を実現すること。

提案手法

• 系は、ヘイゼンベルグXXおよびXXZ型相互作用を有する4つのスピン1/2粒子としてモデル化され、中央の2つのキュービットが左および右のキュービットのダイナミクスを制御するゲートキュービットとして機能する。
• ハミルトニアンは、共振器およびインダクタを介した結合を持つ超伝導回路から導出され、容量性およびジョセフソン接合による結合が所望のスピン相互作用を生成する。
• 主な結合強度は回路パラメータから計算され、$ J_x $ は容量性および誘導性結合から、$ J_z $ は2次ジョセフソン項から、$ J_4 $ は遠く離れたキュービット間のクロステイク結合として定義される。
• ゲートキュービット周波数 $ \theta $ およびデチューニング $ \triangle $ は回路のエネルギースケールから導出され、制御機能に適した準位分裂を確保する。
• クロステイク結合 $ J_4 $ は、$ C_J $ および $ C_R $ の容量を増加させることで抑制され、$ J_z $ の1%未満まで低下させることができ、高精度なブロッキングを実現する。
• 数値シミュレーションにより、理想状態、現実的な回路条件、ノイズ状態下でのデバイスの妥当性が検証され、一般入力状態 $ |\rho\rangle = (\rvert\rightarrow\rangle + r e^{i\theta} \rvert\rightarrow\rangle)/\sqrt{1+r^2} $ を用いて評価されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導回路における4キュービットのヘイゼンベルグ相互作用系は、完全な状態転送または完全なブロッキングを実現する量子トランジスタとして機能可能か？
• RQ2 外部制御を最小限に抑え、内在的ダイナミクスおよび初期状態の準備に依存して、どのようにゲート制御を達成できるか？
• RQ3 所望のヘイゼンベルグ相互作用を実現し、有害なクロステイク結合を抑制するために必要な回路パラメータは何か？
• RQ4 本設計は、現実的なデ coherent 損失およびノイズ下でも、どの程度の高精度な動作を維持できるか？
• RQ5 本デバイスは、トランモン、Xmon、フラックスオンなど、既存の超伝導キュービットプラットフォームで実装可能か？スケーラビリティおよびモジュラリティを確保できるか？

主な発見

• 提案された量子スピントランジスタは、2つのゲートキュービットの状態に応じて完全な状態転送または完全なブロッキングを実現し、理想状態ではFidelityが1に近づく。
• 現実的な回路パラメータ下でも、状態転送のFidelityは高く維持され、ノイズおよびクロステイクを含むシミュレーションでも頑健な性能を示す。
• 容量 $ C_J $ および $ C_R $ を増加させることで、クロステイク結合 $ J_4 $ は $ J_z $ の1%未満にまで抑制され、高精度なブロッキングが実現可能となる。
• ゲートキュービット周波数 $ \theta $ およびデチューニング $ \triangle $ は回路パラメータから解析的に導出され、所望の動作に正確にチューニング可能である。
• 初期化後はゲート動作中にアクティブな制御を一切不要なため、システムは自己備えの動作を実現し、安定性およびスケーラビリティが向上する。
• 本設計は、トランモン、Xmon、フラックスキュービット、フラックスオンなど、複数の超伝導キュービットタイプと互換性があり、広範な実装可能性を有する。