[論文レビュー] Supercoherent Quantum Bits

David F. Bacon, Kenton R. Brown+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2000

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、4キュービットのハミルトニアンを用いて、2体間相互作用のみを有する超協調的量子ビット系を提案している。この系は、2重に degenerate な基底状態を持つように設計されており、局所的デコherence をエネルギー的に高価にするため、低温において量子情報を保護する。このため、量子ドット量子コンピュータなどのアーキテクチャにおいて、ロバストでユニバーサルな量子操作が可能になる。

ABSTRACT

Real quantum systems couple to their environment and lose their intrinsic quantum nature through the process known as decoherence. Here we present a method for minimizing decoherence by making it energetically unfavorable. We present a Hamiltonian made up solely of two-body interactions between four two-level systems (qubits) which has a two-fold degenerate ground state. This degenerate ground state has the property that any decoherence process acting on an individual physical qubit must supply energy from the bath to the system. Quantum information can be encoded into the degeneracy of the ground state and such coherence-preserving qubits will then be robust to local decoherence at low bath temperatures. We show how this quantum information can be universally manipulated and indicate how this approach may be applied to a quantum dot quantum computer.

研究の動機と目的

• 実際の量子系におけるデコherence の根本的課題に取り組み、量子情報の保存を制限する要因を克服すること。
• 局所的デコherence のプロセスがエネルギー的に不利になるような量子系を構築し、コherency の保護を強化すること。
• 基底状態の degeneracy に量子情報を符号化することで、局所的環境相互作用に対して内在的に耐性を持つこと。
• この保護されたキュービット上でユニバーサルな量子操作を実行できることを示すこと。
• 量子ドット系のようなスケーラブルな量子コンピューティングプラットフォームへの実装可能性を検討すること。

提案手法

• 4つの2準位系（キュービット）間の2体間相互作用のみを含むハミルトニアンを設計し、すべての相互作用が局所的であることを保証すること。
• ハミルトニアンを、2重に degenerate な基底状態を持つように設計し、その degeneracy の部分空間に論理キュービットを符号化すること。
• エネルギー保存則を活用し、任意の局所的デコherence プロセスが環境からエネルギーを供給しなければならないようにすることで、低温においてそのプロセスが抑制されることを実現すること。
• degenerate な基底状態を、局所的摂動やデコherence に対して耐性を持つ論理キュービット空間として利用すること。
• ハミルトニアン内の2体間相互作用を制御することで、ユニバーサルな量子ゲートを実装できることを示すこと。
• トンネル効果とクーロン結合を介して必要な2体間相互作用を設計可能な量子ドットを用いた物理的実装経路を提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的デコherence がエネルギー的に禁止されるような多体ハミルトニアンを構築できるか？
• RQ2 基底状態の degeneracy に量子情報を符号化することで、局所的ノイズに対して内在的に保護された状態を実現する方法は何か？
• RQ3 このような系において、温度がデコherence の抑制に果たす役割は何か？
• RQ4 この保護されたキュービット上で、局所的操作のみを用いてユニバーサルな量子ゲートを実装できるか？
• RQ5 このアプローチは、量子ドットのようなスケーラブルな量子コンピューティングアーキテクチャで実現可能か？

主な発見

• 4キュービットの2体間相互作用のみを有する提案されたハミルトニアンは、2重に degenerate な基底状態を実現し、量子情報をロバストに符号化可能である。
• 1つの物理的キュービットに作用する任意の局所的デコherence プロセスは、バストからエネルギーを供給しなければならず、低温ではそのようなプロセスが起こりにくくなる。
• degenerate な基底状態は、局所的環境相互作用に対して耐性を持つ保護された論理キュービットを提供する。
• ハミルトニアン内の2体間相互作用を制御することで、この符号化されたキュービット上でユニバーサルな量子計算が可能である。
• このスキームは量子ドットアーキテクチャと互換性があり、スケーラブルでデコherence に強い量子コンピューティングへの実現路線を示唆する。
• デコherence のエネルギー的コストにより、低温において系がコherency を維持し続け、量子コherency 時間が著しく延長される。