[논문 리뷰] Quantum computation with three-electron double quantum dots at an optimal operation point

Sebastian Mehl|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 13.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실리콘과 갈륨 arsenide 플랫폼에서 실질적인 노이즈 조건 하에서도 높은 허용 오차를 가진 양자 계산을 실현하기 위해, 노이즈에 민감하지 않은 설탕점(sweet spot)에서 작동하는 삼전자 双량자도(삼중 전자 이중 양자도)를 사용하는 보편적 고해상도 양자 계산 기법을 제안한다. 전기장 제어 단일 큐비트 게이트와 약한 쿨롱/스핀 교환 상호작용을 이용한 이중 큐비트 얽힘 게이트를 활용함으로써, 실질적인 노이즈 조건 하에서도 높은 품질의 양자 제어를 달성한다.

ABSTRACT

The author analyzes quantum computation with the hybrid qubit (HQ) that is encoded using the three-electron configuration of a double quantum dot. All gate operations are controlled with electric signals, while the qubit remains at an optimal operation point that is insensitive to noise. An effective single-qubit description is derived, and two-qubit interactions are suggested using Coulomb and exchange interactions. Universal quantum control is described and numerically simulated using realistic parameters for HQs in Si and GaAs. High-fidelity quantum computing at the threshold of quantum error correction is possible if the Coulomb interactions between the HQs stay weak.

연구 동기 및 목표

• 노이즈에 민감하지 않은 설탕점에서 작동하면서도 보편적 양자 계산이 가능한 삼전자 이중 양자도(하이브리드 큐비트)를 구현하는 것.
• 피하기 어려운 수준의 전하 노이즈에 강건한 전기적으로 구동되는 단일 큐비트 게이트를, 피하기 어려운 수준의 에너지 준위 교차점에서 작동시켜 개발하는 것.
• 하이브리드 큐비트 간의 약한 쿨롱 및 스핀 교환 상호작용을 이용해 이중 큐비트 엉키는 게이트를 설계함으로써 고해상도 제어와의 호환성을 확보하는 것.
• 모든 큐비트가 설탕점에서 작동할 경우 실질적인 노이즈 원천 하에서 고해상도 양자 연산이 가능함을 입증하는 것.
• 실리콘과 갈륨 아연화물 플랫폼에서 초기화, 측정, 보편적 게이트 집합을 위한 실험적으로 실현 가능한 프로토콜을 제공하는 것.

제안 방법

• 삼중 전자 이중 양자도의 효과적 단일 큐비트 해밀토니안을 유도하기 위해, (1,2) 및 (2,1) 전하 구성에서 피하기 어려운 수준의 에너지 준위 교차점 근처에서 페르투르베이션 분석을 수행한다.
• 두 번째 순서의 슈리페르-울프 페르투르베이션 이론을 적용하여 전체 다체 해밀토니안을 효과적인 저에너지 부분공간으로 매핑함으로써 큐비트 상태를 누출 경로에서 분리한다.
• 이웃한 양자도 간의 쿨롱 및 스핀 교환 상호작용을 통해 큐비트 간 결합을 모델링하며, 가상의 고유 상태 간 행렬 요소로부터 상호작용 강도를 유도한다.
• 게이트 성능을 정량화하기 위해 엔트레플멘트 허용 오차 지표(Eq. 28)를 사용하여, 최대 엉킴 상태에서 실제 및 이상적인 동작의 시간 진화를 비교한다.
• 실리콘과 갈륨 아연화물 하이브리드 큐비트의 실질적인 파rameter를 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하며, 전기적 및 자기적 노이즈와 같은 주요 노이즈 원천을 포함한다.
• 단일 및 이중 큐비트 연산 전반에 걸쳐 큐비트가 설탕점에서 유지되도록 조정 프로토콜을 설계함으로써, 저주파수 노이즈에 의한 비가역성의 최소화를 도모한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼전자 이중 양자도에 인코딩된 하이브리드 큐비트는 노이즈에 민감하지 않은 설탕점에서 작동하면서도 고해상도 단일 큐비트 연산이 가능한가?
• RQ2 강한 결합이 필요 없이 하이브리드 큐비트 간의 약한 쿨롱 및 스핀 교환 상호작용만을 사용하여 이중 큐비트 엉킴 게이트를 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 피하기 어려운 수준의 에너지 준위 교차점은 전기적으로 구동되는 고해상도 단일 큐비트 게이트를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 하이브리드 큐비트는 전하 노이즈로부터 스핀 유사 보호를 유지하면서도 전하 큐비트의 빠른 조정 가능성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 실리콘과 갈륨 아연화물 플랫폼에서 모든 큐비트가 설탕점에서 작동할 경우 실질적인 노이즈 모델 하에서 어떤 수준의 게이트 허용 오차를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 피하기 어려운 수준의 에너지 준위 교차점 근처에서 전기 펄스를 조절함으로써 고해상도 단일 큐비트 게이트를 실현할 수 있으며, 설탕점에서의 작동을 유지함으로써 전하 노이즈를 억제할 수 있다.
• 약한 쿨롱 및 스핀 교환 상호작용을 통해 하이브리드 큐비트 간의 이중 큐비트 엉킴 게이트가 가능해지며, 효과적 해밀토니안은 두 번째 순서의 슈리페르-울프 페르투르베이션 이론을 통해 유도된다.
• 실질적인 노이즈 조건 하에서 시뮬레이션된 게이트 연산에서 엔트레플멘트 허용 오차가 0.99를 초과하여 고해상도 양자 제어가 실현 가능함을 시사한다.
• 설탕점에서 하이브리드 큐비트는 충분한 스핀 성질을 유지하여 전하 노이즈로부터 보호되며, 同시에 전하 큐비트의 빠른 조정 가능성을 유지한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 실리콘과 갈륨 아연화물 플랫폼에서 실질적인 파rameter 조건 하에서도 보편적 양자 제어가 가능함을 확인하였으며, 이는 큐비트 간 쿨롱 상호작용이 약할 경우에 한해 성립한다.
• 모든 큐비트가 노이즈에 민감하지 않은 설탕점에서 작동함으로써, 고해상도 양자 계산이 고장 내성 양자 오류 수정의 임계점에 도달할 수 있음을 입증한다.