[논문 리뷰] Phase control of local and non-local entanglement in a triple spin qubit

Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 08.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 세 개의 주소 가능한 스핀 큐비트를 가진 삼중 양자점(QD) 시스템에서 국소적 및 비국소적 얽힘의 단계 제어를 구현한다. 제3의 교환 결합 스핀을 제어 큐비트로 사용하여, 국소적 조건에서의 제로먼 필드를 통해 두 인접 큐비트에서 단위-삼중 상태 진동을 유도함으로써 국소적으로 결합된 큐비트 쌍과 비국소적으로 얽힌 스핀 쌍에서 모두 얽힘의 위상 제어를 실현한다.

ABSTRACT

Entanglement is at the heart of quantum mechanics and an essential ingredient of spin correlations in superconductivity and the Kondo effect and quantum non-locality of noninteracting particles1–4. Non-local entanglement is also key to quantum computation outperforming classical computers5 and has now begun to be applied to various atom and photonbased quantum information technologies6. Despite many technical advances in manipulating electron spins in solids, entanglement control has only been realized for two coupled qubits in quantum dots (QDs), mainly by local SWAP operations7–11. Here we use a triple QD with three addressable spin qubits to demonstrate phase control of locally entangled two or three electron spins and two non-locally entangled uncoupled spins. Singlet-triplet oscillation of two locally entangled spins in adjacent dots is induced by a built-in local Zeeman field, and phase-modulated using the exchange-coupled third spin as a control bit. Non-local entangle-

연구 동기 및 목표

• 삼중 양자점 아키텍처에서 제3의 주소 가능한 스핀 큐비트를 활용하여 이중 큐비트 시스템을 초월한 얽힘 제어를 확장한다.
• 내장된 제로먼 필드와 교환 결합을 이용해 국소적으로 결합된 전자 스핀에서 얽힘의 공진 조건을 통한 위상 조절을 달성한다.
• 제3의 스핀 큐비트를 통한 간접 제어를 통해 서로 간섭이 없는 스핀 간 비국소적 얽힘을 구현한다.
• 다중 큐비트 스핀 시스템에서 얽힘 위상의 동적 제어를 가능하게 함으로써 확장 가능한 양자 정보 처리 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• 정밀한 스핀 상태 제어를 가능하게 하기 위해 세 개의 개별적으로 주소 가능한 전자 스핀 큐비트를 갖는 삼중 양자점(QD) 어레이를 사용한다.
• 국소적 제로먼 필드를 적용하여 두 인접 큐비트에서 단위-삼중 상태 진동을 유도함으로써 공진 조건에서 국소적 얽힘을 실현한다.
• 제3의 큐비트와 얽힌 쌍 간의 교환 결합을 통해 얽힘의 위상 조절을 위한 제어 비트로 기능한다.
• 조정 가능한 교환 상호작용을 적용하여 비국소적 큐비트 간 직접 결합 없이도 얽힌 상태의 상대 위상을 공진 조건으로 조작한다.
• 양자 상태 토모그라피와 시간 해상도 측정을 통해 얽힘과 위상 제어의 정밀도를 검증한다.
• 실제 고체 상태 조건 하에서도 국소적 및 비국소적 얽힌 상태에 대한 공명 유지와 제어를 유지하기 위해 시스템을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 상호작용과 제어 큐비트만을 사용하여 삼스핀 큐비트 시스템에서 얽힘의 위상 제어가 가능한가?
• RQ2 교환 결합된 제3의 스핀이 두 개의 국소적으로 결합된 큐비트 간 얽힘 위상을 어떻게 조절하는가?
• RQ3 간접 제어를 통해 삼중 QD 아키텍처에서 서로 간섭이 없는 스핀 간 비국소적 얽힘은 실현 가능한가?
• RQ4 실제 제로먼 필드 및 교환 결합 조건 하에서 이 시스템에서 위상 조절된 얽힘의 공명성과 정밀도는 어떠한가?
• RQ5 이 아키텍처는 이중 큐비트 시스템을 초월한 얽힘 제어를 통해 확장 가능한 양자 정보 처리를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제로먼 필드와 제3의 스핀 큐비트로의 교환 결합을 통해 국소적으로 얽힌 이중 전자 상태의 위상 제어를 달성하여, 얽힘 위상의 공진 조건 조작이 가능해졌다.
• 제3의 스핀이 조건부 제어로 인접 큐비트 쌍의 단위-삼중 상태 중첩의 상대 위상을 조절함으로써, 조건부 제어의 실현을 입증했다.
• 제3의 스핀을 통해 간접적으로 연결된 양상으로 서로 간섭이 없는 스핀 간 비국소적 얽힘이 실현되었으며, 고체 상태 플랫폼에서의 비국소적 얽힘 실현 가능성을 확인했다.
• 단위-삼중 상태 간의 공진 조건에서 측정 가능한 위상 이동이 수반된 진동을 나타내어, 고정밀도의 얽힘 제어를 의미한다.
• 실험적 설정은 얽힌 쌍 간 직접 스핀-스핀 상호작용이 없이도 얽힘 위상의 동적 조정이 가능함을 보여주었다.
• 결과적으로 삼중 QD 아키텍처는 국소적 및 비국소적 얽힘 모두 위상 제어를 지원하며, 다중 큐비트 양자 논리 연산을 위한 길을 열었다.