[논문 리뷰] Supercoherent Quantum Bits

David F. Bacon, Kenton R. Brown외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 12. 05.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 두체 상호작용만을 포함하는 네 큐비트 해밀토니안을 사용하여, 두 중첩된 기저 상태를 가진 초일관성 큐비트 시스템을 제안한다. 국소적 비가역성은 에너지적으로 비용이 많이 들도록 설계되어, 저온에서 양자 정보를 보호하며, 큐비트 도트 양자컴퓨터와 같은 아키텍처에서 강건하고 보편적인 양자 연산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Real quantum systems couple to their environment and lose their intrinsic quantum nature through the process known as decoherence. Here we present a method for minimizing decoherence by making it energetically unfavorable. We present a Hamiltonian made up solely of two-body interactions between four two-level systems (qubits) which has a two-fold degenerate ground state. This degenerate ground state has the property that any decoherence process acting on an individual physical qubit must supply energy from the bath to the system. Quantum information can be encoded into the degeneracy of the ground state and such coherence-preserving qubits will then be robust to local decoherence at low bath temperatures. We show how this quantum information can be universally manipulated and indicate how this approach may be applied to a quantum dot quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 실제 양자 시스템에서의 비가역성이라는 근본적 과제를 해결함으로써, 양자 정보의 유지 기간을 연장시키기 위해.
• 국소적 비가역성 과정이 에너지적으로 불리하도록 하는 양자 시스템을 개발하여, 비가역성 보호를 향상시키기 위해.
• 기저 상태의 겹침에 양자 정보를 인코딩하여 국소적 환경 상호작용에 대해 내재된 내성적 저항력을 확보하기 위해.
• 이 보호된 큐비트에서 보편적인 양자 연산을 수행하면서도 비가역성을 유지할 수 있음을 보여주기 위해.
• 큐비트 도트 시스템과 같은 확장 가능한 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 이 접근법을 구현할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 네 개의 이준위계(큐비트) 간의 상호작용을 오직 국소적 상호작용으로만 구성된 해밀토니안을 설계하여, 오직 두체 상호작용만을 포함하도록 한다.
• 해밀토니안을 두 중첩된 기저 상태를 가지도록 설계하여, 기저 상태의 겹침 부분공간에 논리 큐비트를 인코딩한다.
• 에너지 보존 원리를 활용하여, 어떤 국소적 비가역성 과정이라도 환경로부터 에너지를 공급받아야 하므로, 저온에서 이러한 과정이 발생하기 어려워지도록 한다.
• 겹침 기저 상태를 국소적 외부 요동과 비가역성에 강건한 논리 큐비트 공간으로 활용한다.
• 해밀토니안 내의 두체 상호작용을 제어함으로써 보편적인 양자 게이트를 실행 가능하게 한다.
• 터널링과 쿨롱 결합을 통해 필요한 두체 상호작용을 설계할 수 있는 큐비트 도트를 물리적 실현 경로로 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 비가역성이 에너적으로 금지되는 방식으로 다체 해밀토니안을 구성할 수 있는가?
• RQ2 기저 상태의 겹침에 양자 정보를 어떻게 인코딩하여 국소적 노이즈에 대해 내재된 보호를 달성할 수 있는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 비가역성을 억제하는 데 있어 온도의 역할은 무엇인가?
• RQ4 이 보호된 큐비트에서 오직 국소적 연산만을 사용하여 보편적인 양자 게이트를 실행할 수 있는가?
• RQ5 큐비트 도트와 같은 확장 가능한 양자 컴퓨팅 아키텍처에서 이 접근법을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 네 큐비트 간에 오직 두체 상호작용만을 포함하는 제안된 해밀토니안은 두 중첩된 기저 상태를 달성하여, 양자 정보의 강건한 인코딩을 가능하게 한다.
• 단일 물리 큐비트에 작용하는 어떤 국소적 비가역성 과정이라도 열 bath로부터 에너지를 공급받아야 하므로, 저온에서는 이러한 과정이 발생하기 어려워진다.
• 겹침 기저 상태는 국소적 외부 환경 상호작용에 강건한 보호된 논리 큐비트를 제공한다.
• 해밀토니안 내의 두체 상호작용을 제어함으로써 이 인코딩된 큐비트에서 보편적인 양자 계산을 수행할 수 있다.
• 이 방법은 큐비트 도트 아키텍처와 호환되어, 확장 가능하고 비가역성에 강건한 양자 컴퓨팅으로 향하는 실현 가능한 길을 제시한다.
• 비가역성의 에너지 비용으로 인해 시스템은 저온에서 비가역성을 유지하며, 양자 비가역성 수명이 크게 연장된다.