[논문 리뷰] Identifying phases of matter that are universal for quantum computation

Andrew C. Doherty, Stephen D. Bartlett|arXiv (Cornell University)|2008. 02. 29.

Quantum many-body systems인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 클러스터 상태 모델에 기반한 스핀 격자 시스템을 제안하며, 이는 무질서 상태와 질서 있는 클러스터 상태 사이의 양자 상전이를 나타낸다. 거리가 먼 큐비트 간의 게이트 허용도를 측정하기 위해 비국소 상관 함수를 사용하여, 질서 있는 상이 비국소 양자 얽힘을 통해 보편적인 양자 게이트 집합을 지원함을 입증함으로써, 많은 몸체의 기본 상태에 기반한 보편적인 양자 계산 플랫폼을 확립한다.

ABSTRACT

Quantum computation can proceed solely through single-qubit measurements on an appropriate quantum state, such as the ground state of an interacting many-body system. We investigate a simple spin-lattice system based on the cluster-state model, and by using nonlocal correlation functions that quantify the fidelity of quantum gates performed between distant qubits, we demonstrate that it possesses a quantum (zero-temperature) transition between a disordered and an ordered cluster phase in which it is possible to perform a universal set of quantum gates.

연구 동기 및 목표

• 다양한 몸체 스핀 시스템에서 보편적인 양자 계산을 지원하는 양자 상을 규명하는 것.
• 상호작용을 갖는 다체계의 기본 상태가 단일 큐비트 측정을 통해 보편적인 양자 게이트를 가능하게 하는지 여부를 규명하는 것.
• 비국소 상관 함수를 사용하여 무질서 상태와 질서 있는 클러스터 상태 사이의 전이를 특성화하는 것.
• 영온도의 양자 시스템에서 보편적인 양자 계산 상이 존재하는지 확인하는 것.

제안 방법

• 연구는 클러스터 상태 형식에 기반한 스핀 격자 모델을 사용하여 단일 큐비트 측정을 통한 양자 계산을 시뮬레이션한다.
• 거리가 먼 큐비트 간에 시행된 양자 게이트의 허용도를 정량화하기 위해 비국소 상관 함수를 사용한다.
• 계산된 시스템의 상진단도를 분석하여 무질서 상태와 질서 있는 클러스터 상태 사이의 양자(영온도) 상전이를 규명한다.
• 측정 전용 양자 계산을 통한 보편적인 양자 게이트 집합을 지원할 수 있는지 질서 있는 상을 평가한다.
• 상관 함수의 이론적 분석을 통해 보편적인 게이트 작동에 필수적인 장거리 얽힘의 존재를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다체 양자 시스템의 기본 상태가 단일 큐비트 측정을 통해 보편적인 양자 계산을 지원할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 무질서 상태와 질서 있는 클러스터 상태 사이의 상전이의 임계 성질은 무엇인가?
• RQ3 비국소 상관 함수는 거리가 먼 큐비트 간의 양자 게이트 허용도를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 측정 전용 프로토콜을 통해 보편적인 양자 게이트 집합을 시행할 수 있는 상이 이 시스템에 존재하는가?

주요 결과

• 이 시스템은 무질서 상태와 질서 있는 클러스터 상태 사이의 영온도 양자 상전이를 나타낸다.
• 질서 있는 클러스터 상태는 보편적인 양자 게이트 집합을 지원하여 측정 기반 양자 계산을 가능하게 한다.
• 비국소 상관 함수는 질서 있는 상에서 거리가 먼 큐비트 간에 높은 허용도의 양자 게이트 작동을 확인한다.
• 질서 있는 상에서의 장거리 상관 관계 존재는 국소 제어 없이도 보편적인 양자 계산을 가능하게 한다.