[논문 리뷰] Quantum information processing in semiconductor nanostructures

John H. Reina, Luis Quiroga외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 09. 08.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반도체 양자점에서 두 가지 양자 정보 처리 기법을 제안한다: (1) 결합된 양자점에서 제어된 빛 펄스를 이용한 모든 광학적 방식으로 최대 얽힘 상태인 벨 상태와 GHZ 상태를 생성함으로써 고체 상태 양자 텔레포테이션을 가능하게 하는 방법; (2) 외부 자기장으로 조절 가능한 전자-핵 스핀 간의 초미세결합을 이용한 핵자기공명(NMR) 기반 양자 스위치로, 장수 분산 시간을 가진 고장내성 양자 논리 게이트를 실현한다. 주요 기여는 현실적인 분산 조건 하에서 고체계에서의 큐비트에 대한 실현 가능하고 공명적인 제어를 입증한 데 있다.

ABSTRACT

A major question for condensed matter physics is whether a solid-state quantum computer can ever be built. Here we discuss two different schemes for quantum information processing using semiconductor nanostructures. First, we show how optically driven coupled quantum dots can be used to prepare maximally entangled Bell and Greenberger-Horne-Zeilinger states by varying the strength and duration of selective light pulses. The setup allows us to perform an all-optical generation of the quantum teleportation of an excitonic state in an array of coupled quantum dots. Second, we give a proposal for reliable implementation of quantum logic gates and long decoherence times in a quantum dots system based on nuclear magnetic resonance (NMR), where the nuclear resonance is controlled by the ground state transitions of few-electron QDs in an external magnetic field. The dynamical evolution of these systems in the presence of environmentally-induced decoherence effects is also discussed.

연구 동기 및 목표

• 반도체 나노구조를 이용한 확장 가능한 고체 상태 플랫폼을 개발하기 위해.
• 광학적으로 구동되는 결합된 양자점들을 통해 최대 얽힘 상태인 벨 상태와 GHZ 상태의 생성 및 제어를 가능하게 하기 위해.
• 조절 가능한 초미세결합을 통해 양자점 내 핵 스핀 큐비트를 이용해 신뢰성 있고 낮은 분산을 가진 양자 논리 게이트를 실현하는 메커니즘을 제안하기 위해.
• 환경적 분산, 특히 격자 진동자(phonons)로 인한 분산이 구동되는 양자점 시스템에서 양자 공명을 반드시 파괴하지는 않는다는 것을 입증하기 위해.
• 고정밀도로 단일 큐비트 회전과 C-NOT 게이트를 수행할 수 있는 고체 상태 NMR 기반 양자 스위치를 구축하기 위해.

제안 방법

• 결합된 양자점 내 전자 상태 간의 공명 라비 진동을 유도하기 위해 선택적 빛 펄스를 사용함으로써, 벨 상태와 GHZ 상태의 준비를 가능하게 한다.
• 이중 및 삼중 양자점 시스템에서 엽합된 엑시톤 상태의 역학을 모델링하기 위해 가짜 스핀 연산자와 밀도 행렬 형식을 활용한다.
• 외부 광학 제어 하에서 시스템의 유니터리 진동을 분석하기 위해 시간에 의존하는 섭동 이론을 적용한다.
• 외부 자기장 하에서 소수의 전자 양자점 내 전자 기저 상태 전이를 이용해 전자-핵 초미세결합을 핵 스핀 1/2 불순물에 맞추어 조절한다.
• 자기장 변화를 통해 핵 공명 주파수를 제어하는 양자 스위치를 설계함으로써, 전자-핵 상호작용을 단절적으로 조절할 수 있도록 한다.
• 전자 시스템이 새로운 기저 상태로 안정화되면서 핵 스핀 큐비트에 영향을 주지 않도록 보장하기 위해 아디아바틱 게이팅 프로토콜을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택적 빛 제어만을 사용하여 고체계에서 최대 얽힘 상태인 벨 상태와 GHZ 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 결합된 양자점 배열에서 모든 광학적 수단을 통해 엽합된 엑시톤 상태의 양자 텔레포테이션을 실현할 수 있는가?
• RQ3 양자점 내 핵 스핀 큐비트를 이용해 장수 분산 시간을 가진 고장내성 양자 논리 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ4 격자 진동자(phonon)에 의한 분산은 양자점 내 광학적으로 구동되는 엽합된 엑시톤 상태의 공명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전자 기저 상태 전이 조절을 통해 외부 자기장으로 양자점 내 핵자기공명 주파수를 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 선택적 빛 펄스를 이용해 결합된 양자점에서 최대 얽힘 상태인 벨 상태와 GHZ 상태를 생성할 수 있으며, 이는 펄스 지속시간과 강도에 따라 성능이 달라진다.
• 제안된 방법은 고체계 양자점 배열에서 엽합된 엑시톤 상태의 모든 광학적 양자 텔레포테이션을 가능하게 한다.
• 게이팅 시간이 에너지 분리의 역수보다 충분히 길 경우, 격자 진동자에 의한 분산이 시스템의 공명을 반드시 파괴하지는 않는다.
• 게이팅 시간 τg의 하한은 약 ~1 ps로 추정되며, 이때 분산 시간 τdec ≈ 10^9 τg로 나타나, 고장내성 양자 계산이 가능하다고 지원된다.
• 분산 이전에 수행 가능한 연산 수는 약 ~10^9로 추정되며, 이는 고장내성 양자 오류 수정에 요구되는 10^4–10^5의 임계값을 초과한다.
• NMR 기반 양자 스위치는 자기장 변화에 의해 초미세결합을 아디아바틱하게 조절함으로써 단일 큐비트 회전과 C-NOT 게이트를 수행할 수 있으며, 전자 릴랙세이션은 핵 스핀 공명을 유지하는 데 적합하다.