[논문 리뷰] Implementation of controlled multi-qudit operations for a solid-state quantum computer based on charge qudits

S. G. Schirmer, Andrew D. Greentree외 1명|ArXiv.org|2003. 05. 09.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반 매트릭스 내 전하 큐디트를 사용하여 스케일러블한 고체상 양자 컴퓨팅 아키텍처를 제안한다. 보조 양자점이 터널링 및 쿠론 상호작용을 조절함으로써 다중 큐디트 얽힘 게이트를 제어 가능하게 하며, 제어 가능하고 공간적으로 국한된 연산을 통해 보편적 양자 계산을 실현한다. 이론적 제약 조건 하에서 조차도 3차 큐디트(D=3)를 선호함으로써 힐베르트 공간 차원을 최적화한다.

ABSTRACT

We consider a mechanism to generate controllable qudit-qudit interactions in a charge-position paradigm for a quantum computer, through the use of auxiliary states. By controlling the tunneling rates onto these auxiliaries from the qudits proper, we can controllably switch the entangling operations. We consider a practical architecture in which to realize such a computer and examine the associated Hilbert space dimension.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 기반 전하 큐디트를 바탕으로 실용적이고 스케일러블한 고체상 양자 컴퓨팅 아키텍처를 개발하기 위해.
• 전하 기반 양자 시스템에서 다중 입자 얽힘 게이트를 제어 가능한 방식으로 구현하는 데 도전하기 위해.
• 제어 가능한 다중 큐디트 연산을 통해 보편적 양자 계산과 효율적인 양자 오류 수정을 실현하기 위해.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 양자 레지스터의 힐베르트 공간 차원을 최적화하기 위해.
• 표면 게이트 전극을 통해 스케일러블하고 공간적으로 국한된 제어가 가능함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 매트릭스 내 도너 불순물을 이용해 D개의 국소적 최소값을 가진 양자점을 형성함으로써 D차원 큐디트 힐베르트 공간을 생성한다.
• 접합(Barrier, B) 게이트를 사용해 인접한 큐디트 간의 터널링 비율을 제어함으로써 초위상 상태를 가능하게 한다.
• 이동(Shift, S) 게이트를 사용해 개별 큐디트 상태에 국소적 에너지 이동을 적용함으로써 단일 큐디트 유니터리 연산을 가능하게 한다.
• 조절 가능한 쿠론 결합을 통해 보조 양자점을 도입하여 제어 가능한 다중 큐디트 상호작용을 매개한다.
• 큐디트 상태의 인구를 보조 상태로 공명적으로 이동시켜 상호작용을 제어하고, 게이트 작동 후 다시 원래 상태로 복귀시킨다.
• B-게이트와 S-게이트에 전압 펄스를 순차적으로 적용하여 제어 위상 게이트 및 보편적 게이트 세트를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 제어만을 사용하여 고체상 전하 큐디트 시스템에서 제어 가능한 다중 큐디트 얽힘 게이트를 구현할 수 있는가?
• RQ2 보조 양자점의 포함이 양자 레지스터의 효과적 힐베르트 공간 차원에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 보조 사이트 사용의 실질적 제약 조건 하에서 어떤 큐디트 차원 D가 힐베르트 공간 차원을 최대화하는가?
• RQ4 제안된 방법이 보편적 양자 계산과 효율적인 양자 오류 수정을 지원할 수 있는가?
• RQ5 공간적으로 국한된 제어 필드 덕분에 서로 다른 부분집합에 대해 동시에 다중 큐디트 상호작용을 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 보조 사이트를 사용하지 않거나 한 큐디트당 하나의 보조 사이트를 사용할 경우, 3차 큐디트(D=3)로 분할하면 레지스터의 힐베르트 공간 차원이 최대가 된다.
• 큐디트당 한 개의 보조 사이트를 사용할 경우, 보조 사이트 없이 사용할 때의 D^{K/D} 대비 힐베르트 공간 차원이 D^{K/(D+1)}로 감소한다.
• 모든 두 개의 큐디트가 하나의 공유 보조 사이트를 사용할 경우(한 쌍당 하나), 효과적 힐베르트 공간 차원은 D^{K/(D+0.5)}로 증가한다.
• 제어 위상 게이트와 단일 큐디트 연산을 조합함으로써 인접한 모든 큐디트 쌍 간에 임의의 이중 큐디트 게이트를 실현할 수 있다.
• 공간적으로 국한된 제어 필드 덕분에 서로 겹치지 않는 부분집합에서 동시에 다중 큐디트 연산을 수행할 수 있으며, 이는 병렬성을 향상시킨다.
• D>3일 경우, 힐베르트 공간 차원의 증가율은 미미하며, 게이트 복잡성 증가 및 측정 오버헤드로 인해 상쇄될 수 있다.