[논문 리뷰] The Chiral Qubit: quantum computing with chiral anomaly

Dmitri E. Kharzeev, Qiang Li|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 17.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 31인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 웨일 또는 디рак 반도체에서의 편미러 자성 효과(CME)에 기반한 새로운 양자 컴퓨팅 아키텍처인 '키랄 큐비트'를 제안한다. 큐비트는 마이크론 크기의 고리에서 순환하는 키랄 페르미온을 사용하며, |0⟩ 및 |1⟩ 상태는 시계방향과 반시계방향 전류의 중첩으로 정의되며, 분수형 자기장 유통에 의해 제어된다. 이 설계는 실온에서 동작 가능하며, THz 수준의 게이트 주파수를 가지며, 양자 오류 수정과 호환되는 약 10⁴ 수준의 코herence-to-gate-time 비율을 제공한다.

ABSTRACT

The quantum chiral anomaly enables a nearly dissipationless current in the presence of chirality imbalance and magnetic field -- this is the Chiral Magnetic Effect (CME), observed recently in Dirac and Weyl semimetals. Here we propose to utilize the CME for the design of qubits potentially capable of operating at THz frequency, room temperature, and the coherence time to gate time ratio of about $10^4$. The proposed "Chiral Qubit" is a micron-scale ring made of a Weyl or Dirac semimetal, with the $|0 angle$ and $|1 angle$ quantum states corresponding to the symmetric and antisymmetric superpositions of quantum states describing chiral fermions circulating along the ring clockwise and counter-clockwise. A fractional magnetic flux through the ring induces a quantum superposition of the $|0 angle$ and $|1 angle$ quantum states. The entanglement of qubits can be implemented through the near-field THz frequency electromagnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트의 냉각 제약을 극복하고 실온에서 작동하는 확장 가능한 양자 컴퓨팅 플랫폼을 개발하기 위해.
• 위상적 반도체에서의 키랄 자성 효과(CME)를 이용해 거의 손실이 없는 전류를 큐비트 작동에 활용하기 위해.
• 해당 큐비트 아키텍처의 해밀토니안이 초전도 큐비트와 유사하게 구성되어 기존의 양자 게이트 프로토콜과 호환되도록 설계하기 위해.
• 약 10⁴ 수준의 코herence 시간 대 게이트 시간 비율을 달성하여 고장 내성 양자 계산을 가능하게 하기 위해.
• THz 주파수의 빛을 이용한 키랄 큐비트의 공명 제어 및 얽힘 생성 가능성 탐색하기 위해.

제안 방법

• 키랄 큐비트는 웨일 또는 디랙 반도체로 제작된 마이크론 크기의 고리로 실현되며, 이는 반대 방향으로 순환하는 키랄 페르미온을 포함한다.
• |0⟩ 및 |1⟩ 상태는 오른쪽과 왼쪽 페르미온 상태의 대칭 및 반대칭 중첩으로 정의되며, 초전도 큐비트 상태와 유사하다.
• 고리에 스며드는 분수형 자기장 유통이 |0⟩ 및 |1⟩ 상태의 양자 중첩을 유도하여 공명 큐비트 제어를 가능하게 한다.
• 시스템의 해밀토니안은 초전도 큐비트와 형식적으로 동일하므로, 기존의 표준 양자 게이트 프로토콜을 적용할 수 있다.
• 키랄 광전류에 의해 생성된 근접장 THz 주파수 전자기장으로 큐비트 간 얽힘을 제안한다.
• 키랄 상태 간의 터널링 강도 Δ는 조셉슨 유사 항으로 모델링되며, SQUID와 유사한 잠재 에너지 장을 이룬다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨일 또는 디랙 반도체에서의 키랄 자성 효과가 실온에서 작동하는 큐비트를 만들 수 있는가?
• RQ2 짧은 코herence 시간에도 불구하고 키랄 큐비트 시스템에서 THz 수준의 게이트 작동이 가능한가?
• RQ3 키랄 큐비트의 해밀토니안이 초전도 큐비트와 얼마나 유사한가? 이는 기존의 양자 게이트 구현과의 호환성을 보장하는가?
• RQ4 키랄 광전류에서 발생하는 근접장 THz 전자기장이 키랄 큐비트의 확장 가능한 얽힘을 가능하게 하는가?
• RQ5 어떤 재료와 장치 기하학적 구조가 키랄성 전환 비율을 최소화하여 약 10⁴ 수준의 코herence-to-gate-time 비율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 키랄 큐비트는 예측된 약 10 THz의 주파수로 작동하며, 초전도 큐비트의 GHz 수준 작동 주파수보다 약 10⁴ 배 높다.
• 코herence 시간 대 게이트 시간 비율은 약 10⁴로 추정되며, 이는 양자 오류 수정 알고리즘의 구현에 충분하다.
• 키랄 큐비트의 해밀토니안은 초전도 큐비트와 형식적으로 동일하므로, 기존의 표준 양자 게이트 작동을 그대로 사용할 수 있다.
• 시스템의 에너지 잠재력은 SQUID와 동일하며, 자기장에 따라 변하는 잠재 에너지 웅덩이를 가지며, 명확한 |0⟩ 및 |1⟩ 상태를 지닌다.
• 웨일 반도체에서 키랄 광전류가 생성하는 근접장 THz 전자기장은 다수의 키랄 큐비트를 얽히게 하는 데 사용될 수 있다.
• 키랄 큐비트 설계는 초전도 큐비트의 게이트 작동 프레임워크를 그대로 이어받기 때문에, 기존의 양자 컴퓨팅 아키텍처와 호환된다.