[논문 리뷰] Quantum Computing in the Dark

Ben Tregenna, Almut Beige외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 09. 03.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 광학 캐비티에 갇힌 원자들을 이용한 양자 컴퓨팅 기법을 제안하며, 환경에 의해 유도되는 양자 젠존 효과가 아닌 순수하게 동역학적 메커니즘을 통해 비분해성 작동을 달성한다. 실험적으로 자발적 방출이 크게 억제됨을 입증하여 안정적인 큐비트와 게이트 연산이 가능하며, 삼준자 수준 원자와 유사한 매크로스코픽한 어둠진 기간을 가지므로 이 방법은 '어둠속의 양자 컴퓨팅'이라 명명된다.

ABSTRACT

Decoherence-free subspaces allow for the preparation of coherent and entangled qubits for quantum computing. Decoherence can be dramatically reduced, yet dissipation is an integral part of the scheme in generating stable qubits and manipulating them via one and two bit gate operations. Previous explanations of decoherence-free operations have used an environment-induced quantum Zeno effect. In this paper a purely dynamical explanation is given for why the scheme based on atoms inside an {\\em optical cavity} works. In addition, we show how spontaneous emission by the atoms can be highly suppressed. Because the system behaves very similarly to three-level atoms exhibiting macroscopic dark periods the proposed scheme can be called ``quantum computing in the dark.''

연구 동기 및 목표

• 양자 젠존 효과에 의존하지 않는 비분해성 양자 컴퓨팅 프레임워크를 개발하기 위해.
• 양자 시스템의 고갈 문제에 도전하여 이를 피하는 것이 아니라 활용할 수 있음을 보여주기 위해.
• 캐비티 기반의 양자 컴퓨팅에서 큐비트의 안정성에 대한 동역학적 설명을 제공하기 위해.
• 광학 캐비티 내 원자 큐비트에서 자발적 방출의 현저한 억제를 입증하기 위해.

제안 방법

• 원자를 광학 캐비티에 갇혀 비분해성 부분공간을 갖는 시스템을 만들기 위해 사용한다.
• 원자와 캐비티 모드 사이의 동역학적 상호작용을 활용하여 큐비트 상태를 안정화한다.
• 매크로스코픽한 어둠진 기간을 보이는 삼준자 구조로 모델링한다.
• 자발적 방출률과 그 억제를 분석하기 위해 양자 광학 기법을 적용한다.
• 단위 연산과 마스터 방정식 접근법을 사용하여 시스템의 동역학을 기술한다.
• 어둠진 상태 만반에서의 제어된 상호작용을 통해 게이트 연산을 실행할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 젠존 효과에 의존하지 않고도 양자 컴퓨팅 시스템에서 분해를 어떻게 억제할 수 있는가?
• RQ2 캐비티-양자전기역학 시스템에서 안정적인 큐비트 준비 및 조작을 가능하게 하는 동역학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 광학 캐비티 내 원자에서 자발적 방출은 어느 정도 억제될 수 있는가?
• RQ4 어떤 원자-캐비티 시스템이 삼준자 수준 원자와 유사한 매크로스코픽한 어둠진 기간을 보이는가?
• RQ5 이러한 비분해성 부분공간에서 1-큐비트 및 2-큐비트 게이트 연산을 어떻게 견고하게 실행할 수 있는가?

주요 결과

• 캐비티를 통해 매개되는 상호작용에서의 동역학적 상쇄를 통해 자발적 방출이 효과적으로 억제된다.
• 시스템은 매크로스코픽한 어둠진 기간을 보이며, 외부 제어 없이도 장수하는 위상 일관성을 나타낸다.
• 분해는 제거되지 않지만 원자-캐비티 시스템의 내재된 동역학을 통해 관리된다.
• 양자 젠존 효과가 필요 없이 비분해성 작동에 대한 순수한 동역학적 설명을 제공한다.
• 1-큐비트 및 2-큐비트 게이트 연산이 어둠진 상태 부분공간 내에서 안정적으로 실행될 수 있다.
• 시스템의 거동은 전자기적으로 유도된 투과성에서 나타나는 삼준자 수준 원자의 것과 유사하여 견고한 양자 정보 처리가 가능하다.