[논문 리뷰] Controlled generation of graph states for quantum computation in spin chains

Stephen R. L. Clark, Carolina Alves외 1명|arXiv (Cornell University)|2004. 06. 21.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공간적으로 변하는 결합을 가진 시간에 따라 진화하는 XY 상호작용을 사용하여 스핀 체인에서 그래프 상태를 정확하게 생성하는 해법을 제안한다. 이는 유니버설 양자 계산을 가능하게 하며, 동적 불변성과 스토리지 체인 및 엔트랑글링 체인 간의 스핀 스왑을 활용하여 개별 스핀 제어가 필요 없이도 유니버설 그래프 상태 생성을 실현한다. 초냉각 원자로 이루어진 광학 격자를 이용한 확장 가능한 실현 가능 구현 방안도 제안되었다.

ABSTRACT

We solve exactly the dynamics of a XY spin chain with fixed spatially varying couplings for a specific time interval, and find it equivalent to a family of quantum circuits which can generate Graph states. We extend this into a scheme which involves swapping selected spins between a storage and entangling chain allowing arbitrary Graph states to be generated. By exploiting an invariance in the dynamics we relax the requirements of single-spin addressability in the scheme. Finally we propose a possible implementations with optical lattices of neutral atoms.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 진화하는 상호작용을 사용하여 스핀 체인에서 그래프 상태를 스케일러블하고 정확하게 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• 동적 불변성을 활용하여 양자 스핀 시스템에서 개별 스핀 제어 문제를 해결하기 위해.
• 스토리지 체인과 엔트랑글링 체인을 결합한 하이브리드 아키텍처를 설계하여 유니버설 그래프 상태 생성을 가능하게 하기 위해.
• 초냉각 중성 원자로 이루어진 광학 격자에서의 물리적 실현 가능성을 고려하여 구현 방안을 제안하기 위해.

제안 방법

• 공간적으로 변하는 결합을 가진 XY 스핀 체인의 역학을 특정 시간 간격 동안 정확히 해석한다.
• 해결 방법이 그래프 상태를 생성하는 가족의 양자 회로와 동치임을 보여준다.
• 스토리지 체인과 엔트랑글링 체인 간의 스핀 스왑을 통해 임의의 그래프 상태를 구성하는 이중 체인 아키텍처를 도입한다.
• 개별 스핀 제어가 필요 없이도 얽힘 생성이 가능한 동적 불변성을 활용한다.
• 연속적인 엔트랑글링 연산을 통해 유니버설 그래프 상태 준비를 확장한다.
• 기존의 스핀 상호작용 제어 및 위치 주소 제어가 가능한 초냉각 원자로 이루어진 광학 격자를 활용하여 물리적 실현 구현을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간적으로 변하는 결합을 가진 스핀 체인의 정확한 역학을 활용하여 그래프 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 스핀 체인 역학의 동적 불변성이 개별 스핀 제어의 필요성을 어떻게 완화시킬 수 있는가?
• RQ3 스토리지 체인과 엔트랑글링 체인 간의 스핀 스왑이 유니버설 그래프 상태 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 제안된 방법이 초냉각 원자로 이루어진 광학 격자와 같은 현실적인 물리 플랫폼에 어떻게 적응될 수 있는가?

주요 결과

• 공간적으로 변하는 결합을 가진 XY 스핀 체인의 정확한 해법은 그래프 상태를 생성하는 가족의 양자 회로를 생성한다.
• 이 방법은 개별 스핀 제어 없이도 연속적인 엔트랑글링 연산을 통해 유니버설 그래프 상태 준비를 가능하게 한다.
• 시스템의 동적 불변성 덕분에 개별 스핀이 직접 제어되지 않더라도 얽힘 생성이 가능하다.
• 이 프로토콜은 확장 가능하며 초냉각 중성 원자로 이루어진 광학 격자를 통해 실현 가능하며, 조절 가능한 스핀 상호작용과 위치 제어 기능을 제공한다.