[논문 리뷰] Fast long-range state transfer in quantum dot arrays via shortcuts to adiabaticity

Yue Ban, Xi Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 10.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 49인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 역공 ingeneering을 사용한 단기적 애디아바틱성(adiabaticity) 프로토콜을 제안하여, 중간에 있는 도트들을 거의 점유하지 않고도 빠르고 고정밀도로 장거리 전하 이동을 가능하게 한다. 시간에 따라 변화하는 전기 펄스를 설계하여 애디아바틱 진동을 모방하면서도 더 짧은 시간에 수행함으로써, 이론적 분해와 열화 조건을 완화하고, 기존의 애디아바틱 프로토콜보다 더 빠르고 강건한 양자 상태 이동을 실현한다.

ABSTRACT

Rapid and efficient preparation, manipulation and transfer of quantum states through an array of quantum dots (QDs) is a demanding requisite task for quantum information processing and quantum computation in solid-state physics. Conventional adiabatic protocols, as coherent transfer by adiabatic passage (CTAP) and its variations, provide slow transfer prone to decoherence, which could lower the fidelity to some extent. To achieve the robustness against decoherence, we propose a protocol of speeding up the adiabatic charge transfer in multi-QD systems, sharing the concept of "Shortcuts to Adiabaticity" (STA). We first apply the STA techniques, including the counterdiabatic driving and inverse engineering, to speed up the direct (long range) transfer between edge dots in triple QDs. Then, we extend our analysis to a multi-dot system. We show how by implementing the modified pulses, fast adiabatic-like charge transport between the outer dots can be eventually achieved without populating intermediate dots. We discuss as well the dependence of the transfer fidelity on the operation time in the presence of dephasing. The proposed protocols for accelerating adiabatic charge transfer directly between the outer dots in a QD array offers a robust mechanism for quantum information processing, by minimizing decoherence and relaxation processes.

연구 동기 및 목표

• 외부 양자 도트 간 장거리 전하 이동에서 느린 동작과 분해에 취약한 애디아바틱 프로토콜의 문제를 해결하기 위해.
• 전달 중간 도트의 점유를 최소화하면서도 빠르고 비애디아바틱 프로토콜을 개발하기 위해.
• 다중 도트 양자 도트 배열에 대해 단기적 애디아바틱성(STA) 기법을 확장하여 확장 가능한 양자 정보 처리를 가능하게 하기 위해.
• 작동 시간을 단축시켜 위상 분리(dephasing)에 의한 전송 정밀도를 향상시키면서도 필요한 펄스 강도를 줄이기 위해.
• 고체 상태 양자 시스템에서 직접 전하 및 양자 상태 이동을 위한 강건하고 실험적으로 실현 가능한 프로토콜을 제공하기 위해.

제안 방법

• Lewis-Riesenfeld 불변량의 역공 ingeneering을 활용하여 시간에 따라 변화하는 전기 펄스를 설계함으로써, 공명 전이를 가속화하면서도 애디아바틱 유사 행동을 유지한다.
• 이 방법은 처음으로 삼중 양자 도트 시스템에 적용되었으며, 첫 번째 도트에서 마지막 도트로 직접 전이가 가능해졌고, 중간 도트의 점유도 거의 없었다.
• 더 큰 배열에서는 장거리 체인을 엣지 결합이 조절된 세 수준 체계로 모델링하는 효과적인 유사성을 사용하여, 삼중 QD에 대한 유사한 분석을 적용한다.
• 펄스 진폭은 작동 시간의 역수에 비례하여 조정되며, 이는 표준 공명 전달(Coherent Transfer by Adiabatic Passage, CTAP)보다 더 빠른 전이를 가능하게 한다.
• 분해를 고려한 정밀도 평가를 위해 리드블라드 마스터 방정식을 해석함으로써 프로토콜의 유효성을 검증하였으며, 분해는 마코비안 노이즈 채널로 모델링되었다.
• 이 방법은 스핀 전이로도 일반화 가능하며, 조절 가능한 게이트 전압을 사용하는 표준 분할 게이트 구조로도 실현 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역공 ingeneering 기반의 단기적 애디아바틱성 기법을 사용하여 중간 도트의 점유 없이도 양자 도트 배열에서 장거리 전하 이동을 빠르게 수행할 수 있는가?
• RQ2 실제 환경에서의 작동 시간과 분해에 따라 전달 프로토콜의 정밀도는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 역공 ingeneering 기법이 높은 정밀도로 직접적인 비애디아바틱 전이를 달성하는 데 있어 반대 애디아바틱 드라이빙보다 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ4 제안된 프로토콜에서 펄스 강도와 작동 시간 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 유한한 분해 시간을 가진 실질적인 반도체 양자 도트 플랫폼에서 이 프로토콜이 충분히 강건하여 실현 가능한가?

주요 결과

• 역공 ingeneering 기반의 STA는 중간 도트의 점유가 거의 없는 상태에서 외부 도트 간 빠른 직접 전하 이동을 가능하게 하며, 반대 애디아바틱 프로토콜과는 달리 이에 비해 유의미하게 높은 성능을 보인다.
• 작동 시간을 단축시킴으로써 분해 효과를 억제함으로써, 표준 CTAP보다 더 높은 정밀도를 달성한다.
• 필요한 펄스 진폭은 작동 시간의 역수에 비례하여 조정되며, 이는 CTAP보다 더 빠른 전이와 더 낮은 피크 강도를 가능하게 하여 가열 위험을 줄인다.
• 작동 시간을 단축시킴으로써 STA를 통해 분해 조건에서도 정밀도가 높게 유지되며, 분해에 대한 강건성을 입증한다.
• 이 방법은 스핀 전이로도 일반화 가능하며, 기존의 게이트 정의된 양자 도트 아키텍처, 특히 Si/SiGe 및 GaAs/AlGaAs 플랫폼에서도 실현 가능하다.
• 이 프로토콜은 다중 큐비트 양자 도트 시스템에서 고정밀도 양자 상태 이동을 위한 확장 가능하고 실험적으로 실현 가능한 길을 제공한다.