[논문 리뷰] Creation, manipulation, and detection of anyons in optical lattices

M. Aguado, Gavin K. Brennen외 2명|arXiv (Cornell University)|2008. 02. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 현재 실험 기술로 구현 가능한 확장 가능한 방법을 제안하여, 포획된 초냉각 원자를 이용해 광학 격자에서 아벨 및 비아벨 anyon을 생성하고 조작하며 검출한다. 보조 입자(ancilla particle)가 단일 입자 게이트를 거치고 격자 위치로 이동하며 단순한 양자 게이트를 통해 상호작용함으로써, 현재의 실험적 능력으로도 보편적인 토폴로지적 양자 계산이 가능해진다.

ABSTRACT

Anyons are particlelike excitations of strongly correlated phases of matter with fractional statistics, characterized by nontrivial changes in the wave function, generalizing Bose and Fermi statistics, when two of them are interchanged. This can be used to perform quantum computations [A. Yu. Kitaev, Ann. Phys. (N.Y.) 303, 2 (2003)]. We show how to simulate the creation and manipulation of Abelian and non- Abelian anyons in topological lattice models using trapped atoms in optical lattices. Our proposal, feasible with present technology, requires an ancilla particle which can undergo single-particle gates, be moved close to each constituent of the lattice and undergo a simple quantum gate, and be detected.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자로 구성된 광학 격자에서 토폴로지적 양자 시스템의 anyonic 통계를 시뮬레이션할 수 있는 실용적인 방법을 개발한다.
• 통제 가능하고 확장 가능한 방식으로 아벨 및 비아벨 anyon을 생성하고 조작할 수 있도록 한다.
• 현재의 실험 장치와 호환되는 프로토콜을 설계하여 양자 시뮬레이션과 양자 계산을 가능하게 한다.
• 측정 가능한 보조 입자 기반 양자 게이트 프로토콜을 통해 anyonic 통계를 검출할 수 있도록 보장한다.

제안 방법

• 광학 격자 내 초냉각 원자를 이용해 anyonic 불순량을 수용하는 토폴로지적 격자 모델을 시뮬레이션한다.
• 개별 격자 위치로 일관되게 이동할 수 있는 보조 입자를 도입한다.
• 보조 입자에 대한 단일 입자 양자 게이트를 구현하여 anyonic 준입자와의 상호작용을 매개한다.
• 보조 입자와 격자 위치 사이의 제어된 양자 게이트를 수행하여 anyonic 통계를 탐지하고 조작한다.
• 상호작용 후 보조 입자의 최종 상태를 측정하여 anyonic 브레이딩 통계를 검출한다.
• 현재의 포획 원자 시스템에서의 실험적 기술로도 구현 가능한 안정적이고 실현 가능한 프로토콜을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아벨 및 비아벨 anyon은 포획된 원자 양자 시뮬레이터에서 생성되고 조작될 수 있는가?
• RQ2 이동 가능한 보조 입자를 통해 anyon의 분수 통계는 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ3 격자에서 anyonic 브레이딩을 시뮬레이션하기 위해 필요한 최소한의 양자 연산 집합은 무엇인가?
• RQ4 현재의 광학 격자 및 원자 조작 기술로 제안된 방법을 실현할 수 있는가?
• RQ5 단일 보조 입자 기반 측정 프로토콜을 통해 anyonic 통계를 검출할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 보조 입자에 대한 단일 입자 연산만을 사용하여 광학 격자 내 anyonic 통계를 시뮬레이션할 수 있다.
• 제어된 브레이딩과 게이트 연산을 통해 비아벨 anyon을 포함한 anyon의 보편적 조작이 가능하다.
• 이 방법은 초냉각 원자 시스템에서 현재 존재하는 실험 장치와 호환되어 현재 기술로 실현 가능하다.
• anyonic 통계는 격자와의 상호작용 후 보조 입자의 최종 상태를 측정함으로써 검출된다.
• 이 접근법은 아벨 및 비아벨 anyon 모두에 일반화되어 토폴로지적 양자 계산을 지원한다.