[論文レビュー] The Chiral Qubit: quantum computing with chiral anomaly

Dmitri E. Kharzeev, Qiang Li|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、ワイルまたはディラック半金属におけるキラル磁気効果（CME）に基づく、新しい量子コンピューティングアーキテクチャ「キラルキュービット」を提案する。キュービットはマイクロスケールのリング内で循環するキラルフェルミオンを用い、|0⟩と|1⟩状態は時計回りおよび反時計回りの電流の重ね合わせとして定義され、分数磁束によって制御される。この設計により、室温で動作し、THzスケールのゲート周波数を達成でき、コherenct時間とゲート時間の比が約10⁴に達する。これは量子誤り訂正と互換性がある。

ABSTRACT

The quantum chiral anomaly enables a nearly dissipationless current in the presence of chirality imbalance and magnetic field -- this is the Chiral Magnetic Effect (CME), observed recently in Dirac and Weyl semimetals. Here we propose to utilize the CME for the design of qubits potentially capable of operating at THz frequency, room temperature, and the coherence time to gate time ratio of about $10^4$. The proposed "Chiral Qubit" is a micron-scale ring made of a Weyl or Dirac semimetal, with the $|0 angle$ and $|1 angle$ quantum states corresponding to the symmetric and antisymmetric superpositions of quantum states describing chiral fermions circulating along the ring clockwise and counter-clockwise. A fractional magnetic flux through the ring induces a quantum superposition of the $|0 angle$ and $|1 angle$ quantum states. The entanglement of qubits can be implemented through the near-field THz frequency electromagnetic fields.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットの低温制限を克服し、室温で動作する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を構築すること。
• トポロジカル半金属におけるキラル磁気効果（CME）を、ほぼ無損失の電流源として活用し、キュービットの動作を実現すること。
• ハミルトニアンが超伝導キュービットに類似したキュービットアーキテクチャを設計し、既存の量子ゲートプロトコルとの互換性を確保すること。
• 量子誤り訂正に十分な、約10⁴のコherenct時間とゲート時間の比を達成すること。
• キラルキュービットのコherent制御およびエンタングルメントに、THz周波数の光を用いる可能性を検討すること。

提案手法

• キラルキュービットは、ワイルまたはディラック半金属から作られたマイクロスケールのリングとして実現され、反対方向に循環するキラルフェルミオンを有する。
• |0⟩と|1⟩状態は、右巻きおよび左巻きのキラルフェルミオン状態の対称および反対称重ね合わせとして定義され、超伝導キュービット状態に類似している。
• リングを貫く分数磁束が、|0⟩と|1⟩状態の量子重ね合わせを誘発し、コherentなキュービット制御を可能にする。
• 系のハミルトニアンは、超伝導キュービットと形式的に同一であり、標準的な量子ゲートを既存のプロトコルにより実装可能である。
• キラル光電流が生成する近接場THz周波数電磁場を介して、キュービット間のエンタングルメントを提案する。
• キラル状態間のトンネル幅Δはジョセフソン型項によりモデル化され、SQUIDに類似したポテンシャルエネルギー障壁を形成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワイルまたはディラック半金属におけるキラル磁気効果を、室温で動作するキュービットに活用できるか？
• RQ2 短いコherenct時間を有するキラルキュービット系においても、THzスケールのゲート操作が可能か？
• RQ3 キラルキュービットのハミルトニアンが超伝導キュービットにどの程度類似しているか。これにより、既存の量子ゲート実装との互換性が確保できるか？
• RQ4 キラル光電流が生成する近接場THz電磁場が、キラルキュービットのスケーラブルなエンタングルメントを可能にするか？
• RQ5 どの材料およびデバイスジオメトリが、キラリティ反転率を最小限に抑えて、約10⁴のコherenct時間とゲート時間の比を達成できるか？

主な発見

• キラルキュービットは予想される周波数約10 THzで動作し、超伝導キュービットのGHzスケールと比較して約10⁴倍高い。
• コherenct時間とゲート時間の比は約10⁴と推定され、これは量子誤り訂正アルゴリズムの実装に十分である。
• キラルキュービットのハミルトニアンは、超伝導キュービットと形式的に同一であり、標準的な量子ゲート操作が利用可能である。
• 系のエネルギーポテンシャルはSQUIDと同等であり、磁束依存のポテンシャル井戸が|0⟩および|1⟩状態を明確に分離する。
• ワイル半金属におけるキラル光電流が生成する近接場THz電磁場を用いて、複数のキラルキュービットをエンタングル可能である。
• キラルキュービットの設計は、既存の量子コンピューティングアーキテクチャと互換性がある。これは、超伝導キュービットが持つゲート操作フレームワークを継承しているためである。