[논문 리뷰] Quantum computation using arrays of N polar molecules in pendular states

Qi Wei, Yudong Cao외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 18.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 외부 전기장에 의해 안정화된 펜듈러 상태에 있는 N개의 극성 분자를 배열하여 확장 가능한 양자 계산을 수행하는 것을 제안한다. 초저온(<1 mK) 조건에서 이러한 배열의 기본 상태가 고정밀도로 제품 상태 |00⋯0⟩로 초기화될 수 있음을 입증하였으며, 큐비트 간의 얽힘이 극히 미미(≤10⁻⁴)하여 다체 동역학이 단순화됨을 보였다. 이 연구는 분수기계, 측정 기반, IQP, 애디아바틱 양자 계산 모델을 모두 고려하여 전기 dipole-dipole 상호작용과 필드 조절 가능한 결합을 사용한 실현 가능성 평가를 수행하였다.

ABSTRACT

We investigate several aspects of realizing quantum computation using entangled polar molecules in pendular states. Quantum algorithms typically start from a product state |00...0&gt; and we show that up to a negligible error, the ground states of polar molecule arrays can be considered as the unentangled qubit basis state |00...0&gt;. This state can be prepared by simply allowing the system to reach thermal equilibrium at low temperature (&lt;1 mK). We also evaluate entanglement, characterized by the concurrence of pendular state qubits in dipole arrays as governed by the external electric field, dipole-dipole coupling and number N of molecules in the array. In the parameter regime that we consider for quantum computing, we find that qubit entanglement is modest, typically no greater than 0.0001, confirming the negligible entanglement in the ground state. We discuss methods for realizing quantum computation in the gate model, measurement based model, instantaneous quantum polynomial time circuits and the adiabatic model using polar molecules in pendular states.

연구 동기 및 목표

• 양자 알고리즘의 표준 초깃값인 제품 상태 |00⋯0⟩로 큰 배열의 극성 분자를 펜듈러 상태에 안정적으로 초기화할 수 있는지 평가하는 것.
• 전기장 강도, 전기 dipole-dipole 결합, 시스템 크기 N에 의해 영향을 받는 큐비트 간 얽힘의 정도를 평가하는 것.
• 펜듈러 분자를 사용하여 게이트 모델, 측정 기반 모델, 즉각적 양자 다항식(IQP), 애디아바틱 모델의 실현 가능성을 조사하는 것.
• 시스템의 낮은 얽힘 수준이 근접한 이웃 간 상호작용으로 단순화될 수 있는지 여부를 판단하는 것.
• 전기장 제어 에너지 갭을 통해 애디아바틱 양자 계산에서 조절 가능한 상호작용 강도와 동적 범위를 탐색하는 것.

제안 방법

• 분자의 운동 에너지와 회전 에너지, 트랩 포텐셜, 외부 전기장과의 스타크 상호작용, 그리고 dipole-dipole 상호작용을 포함하는 해밀토니안을 사용하여 시스템을 모델링하는 것.
• 강한 전기장에서 스타크 효과에 의해 유도된 필드-복장된 펜듈러 상태(J=0,M=0 및 J=1,M=0)를 큐비트 상태 |0⟩ 및 |1⟩로 정의하는 것.
• Born-Oppenheimer 근사를 사용하여 진동운동과 회전운동을 분리하고, 진동 에너지를 상수로 간주하여 해밀토니안에서 제거하는 것.
• 저온(<1 mK) 조건에서 N체계의 기본 상태 인구를 계산하여 초기화 정밀도를 평가하는 것.
• dipole moment, 회전 상수, 전기장 강도, 분자 간 거리에 따라 의존하는 쌍별 농도(concurrence)를 계산하여 큐비트 간 얽힘 정도를 측정하는 것.
• 근접 이웃 CNOT 게이트와 조절 가능한 필드 기울기를 사용하여 IQP 및 애디아바틱 모델의 회로 실현을 설계하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저온 조건에서 펜듈러 상태에 있는 N개 분자 배열의 기본 상태가 신뢰성 있게 제품 상태 |00⋯0⟩로 초기화될 수 있는가?
• RQ2 이러한 배열에서 큐비트 간의 얽힘은 얼마나 크며, 다양한 시스템 매개변수에 따라 여전히 극히 미미한가?
• RQ3 근접 이웃 dipole-dipole 상호작용에 국한하여 시스템의 동역학을 얼마나 단순화시킬 수 있는가?
• RQ4 게이트 모델, 측정 기반 모델, IQP 회로, 애디아바틱 모델이 모두 필드 조절 가능한 상호작용을 갖는 펜듈러 분자를 통해 실현 가능한가?
• RQ5 애디아바틱 모델에서 상호작용 강도의 가용 동적 범위는 얼마이며, 기존 D-Wave 시스템을 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 펜듈러 상태에 있는 극성 분자 배열의 기본 상태는 거의 얽힘 없는 제품 상태 |00⋯0⟩로 효과적으로 표현되며, T < 1 mK 조건에서 열화상태를 통해 고정밀도 초기화가 가능하다.
• 농도로 측정한 큐비트 얽힘은 양자 계산에 적합한 매개변수 영역에서 최대 10⁻⁴에 불과하여 다체 얽힘이 극히 미미함을 확인하였다.
• dipole-dipole 상호작용은 양자 논리 게이트를 구현하는 데 필수적인 주파수 이동 Δω를 유도하며, 외부 전기장 강도로 조절 가능하다.
• 즉각적 양자 다항식(IQP) 회로는 병렬 헤르만드 게이트와 근접 이웃 CNOT 기반의 대각 단위행렬 근사화를 통해 효율적으로 실현할 수 있다.
• 애디아바틱 모델은 dipole-dipole 상호작용의 10⁴배에 이르는 상호작용 강도의 동적 범위를 갖는 것으로 가능하며, 현재의 D-Wave 시스템을 초월한다.
• 계산 상태 |0⟩과 |1⟩ 사이의 에너지 갭은 전기장 제어를 통해 0에서 2.5B까지 조절 가능하여 정밀한 애디아바틱 진동과 높은 정밀도의 양자 애니일링 가능성을 제공한다.