[논문 리뷰] Quantum information processing using electron spins and cavity-qed

Ataç Îmamoğlu, David P. DiVincenzo외 5명|arXiv (Cornell University)|1999. 04. 28.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고체 상태 양자 컴퓨팅 아키텍처를 제안하며, 큐비트로 장수명의 전자 스핀을 갖는 양자점 내에서 전자 스핀을 사용하고, 고해상도 마이크로캐비티를 통해 장거리로 분리된 스핀 간의 일관된 스핀-스핀 상호작용을 가능하게 한다. 레이저 구동 Raman 전이와 캐비티 양자 전기역학을 이용해, 보편적인 단일 큐비트 회전과 제어-노트 게이트를 실현하며, 개별 스핀 상태의 광학적 측정이 가능하다.

ABSTRACT

The electronic spin degrees of freedom in semiconductors typically have decoherence times that are several orders of magnitude longer than other relevant timescales. A solid-state quantum computer based on localized electron spins as qubits is therefore of potential interest. Here, a scheme that realizes controlled interactions between two distant quantum dot spins is proposed. The effective long-range interaction is mediated by the vacuum field of a high finesse microcavity. By using conduction-band-hole Raman transitions induced by classical laser fields and the cavity-mode, arbitrary single qubit rotations and controlled-not operations can be realized. Optical techniques can also be used to measure the spin-state of each quantum dot.

연구 동기 및 목표

• 장수명 큐비트로 사용 가능한 국소화된 전자 스핀을 갖는 양자점에서 확장 가능한 고체 상태 양자 컴퓨팅 플랫폼을 개발하는 것.
• 고체 상태 시스템에서 공간적으로 분리된 스핀 간의 제어된 두 큐비트 연산을 구현하는 데 도전 과제를 극복하는 것.
• 고해상도 마이크로캐비티의 진공 필드를 매개체로 하여 장거리 스핀-스핀 상호작용을 가능하게 하는 것.
• 고전적 레이저 필드와 캐비티 모드를 사용한 광학 제어를 통해 보편적인 양자 게이트 연산—단일 큐비트 회전과 제어-노트 게이트—를 실현하는 것.
• 광학 기법을 통해 각각의 전자 스핀 상태를 사영 측정할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 고전적 레이저 필드와 캐비티 모드 광자에 의해 구동되는 양자점 내 도체 밴드에서 무거운 구멍으로의 Raman 전이를 활용한다.
• 캐비티 양자 전기역학(cavity-QED)을 사용해 진공 필드 변동을 통해 먼 전자 스핀 간의 효과적인 장거리 상호작용을 매개한다.
• 큐비트 부분공간을 정의하기 위해 스핀 분리된 기본 상태와 구멍 유사의(excited) 상태를 이용해 각 양자점에 이중 수준 시스템을 설계한다.
• 레이저 필드를 적용해 스핀 상태 간의 공명 전이를 조절하여 임의의 단일 큐비트 회전을 가능하게 한다.
• 캐비티 모드를 이용해 두 먼 양자점 간의 얽힘 상호작용을 매개하고, 설계된 스핀-광자 결합을 통해 제어-노트 게이트를 실현한다.
• 캐비티 출력 필드를 모니터링하여 각 양자점의 최종 스핀 상태를 측정하는 광학 검출을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 스핀-스핀 결합 없이 캐비티-QED를 사용해 고체 상태 시스템에서 장거리로 일관된 스핀-스핀 상호작용을 매개할 수 있는가?
• RQ2 레이저로 구동되는 Raman 전이를 통해 양자점 내 전자 스핀에 대해 보편적인 단일 큐비트 회전을 수행하는 것이 가능한가?
• RQ3 캐비티 매개 상호작용을 사용해 두 먼 전자 스핀 간에 제어-노트 게이트를 구현할 수 있는가?
• RQ4 광학 기법을 통해 각 양자점의 스핀 상태를 고정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ5 이 아키텍처에서 고장 내성 게이트 연산을 달성하기 위해 캐비티의 높은 정밀도와 레이저 제어에 어떤 조건이 필요한가?

주요 결과

• 고해상도 마이크로캐비티의 진공 필드 변동을 통해 장거리로 일관된 스핀-스핀 상호작용이 가능해지며, 직접적인 스핀 결합의 과제를 극복한다.
• 캐비티 모드를 포함한 레이저로 구동되는 Raman 전이를 통해 양자점 내 전자 스핀에 대해 임의의 단일 큐비트 회전이 실현 가능하다.
• 캐비티 매개 상호작용을 통해 두 먼 양자점 스핀 간의 제어-노트 게이트를 실현할 수 있으며, 이는 보편적인 양자 계산을 가능하게 한다.
• 캐비티 출력 필드를 감지함으로써 개별 전자 스핀 상태의 광학적 측정이 가능하며, 사영 측정이 가능하다.
• 이 방법은 반도체 내 전자 스핀의 장수명 특성을 활용하여 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 유망한 후보가 된다.
• 고전적 레이저 필드와 캐비티-QED의 사용은 확장 가능하고 통합 가능한 고체 상태 양자 컴퓨팅 플랫폼을 제공한다.