[논문 리뷰] A silicon-based cluster state quantum computer

John J. L. Morton|ArXiv.org|2009. 05. 25.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 내 도너 스핀을 사용한 확장 가능한 양자 컴퓨팅 아키텍처를 제안하며, 클러스터 상태 모델을 활용해 스핀-스핀 상호작용의 국소적 제어가 필요 없도록 한다. 전자 스핀을 전역적으로 조작하고, 도너 간에서 공명적으로 이동시킴으로써 핵 스핀을 유니버설 클러스터 상태로 얽히게 하여, 장수명 공명 시간과 고정밀도 연산을 갖춘 고장 내성 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

It has been over ten years since Kane's influential proposal for a silicon-based nuclear spin quantum computer using phosphorous donors. Since then, silicon-based architectures have been refined as the experimental challenges associated with the original proposal have become better understood, while simultaneously a number of powerful and generic models for quantum computation have emerged. Here, I discuss how the cluster state or "one-way" model for quantum computing might be advantageously applied to donors in silicon, with the potential to substantially reduce the practical requirements of a successful implementation. The essence of the scheme is to use the electron spin associated with a donor to weave an entangled network between 31P donor nuclear spins. This resource has been shown to have exceptional coherence times and supports universal quantum computation through local measurements on the nuclear spins. Some of the key ingredients, such as global spin manipulation, have been robustly established, while others, such as single spin measurement, have seen much progress in recent years. A key challenge will be the demonstration of electron transfer between donors that preserves spin coherence.

연구 동기 및 목표

• 국소적 스핀 제어를 전역적 운영으로 대체하여 실리콘 기반 양자 컴퓨팅의 확장성 문제를 해결하고자 한다.
• 실리콘 내 31P 핵 스핀의 장수명 공명 시간(초를 초과)을 활용하여 안정적인 큐비트 저장을 실현하고자 한다.
• 고체계 플랫폼에서 일방적 양자 계산 모델을 사용하여 유니버설 양자 계산으로 향하는 실용적 길을 제시하고자 한다.
• 특히 도너 간 공명적 전자 스핀 이동 동안 스핀 공명을 유지하면서 핵심 기술적 장벽을 식별하고 완화하고자 한다.
• 클러스터 상태 아키텍처와 호환되는 토폴로지 오류 보정 코드를 통해 고장 내성 계산을 실현하고자 한다.

제안 방법

• 모든 전자 및 핵 스핀을 |+⟩ 상태로 초기화하기 위해 전역적인 마이크로파 및 고주파 펄스를 사용한다.
• 등방성 하이퍼피어싱 상호작용(약 120 MHz)을 통해 전자 및 핵 스핀 간의 전역 제어-상태 게이트를 적용하여 큐비트를 얽힌다.
• 전기장을 이용해 인접한 도너 간에 전자 스핀을 공명적으로 이동시켜 이동 중 스핀 공명을 유지한다.
• 전자 스핀을 σy 기저에서 전역적으로 측정하여 핵 스핀이 유니버설 클러스터 상태로 투사되도록 한다.
• SWAP 연산을 통해 전자 스핀을 이용해 핵 스핀을 냉각시키고 고초기 극화를 실현한다.
• 적응형 측정 패tern을 통한 국소적 측정 및 단일 큐비트 회전을 구현하여 유니버설 양자 계산을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클러스터 상태 모델은 실리콘 기반 도너 스핀 시스템에 효과적으로 적용되어 스핀-스핀 상호작용의 국소적 제어 필요성을 줄일 수 있는가?
• RQ2 스핀 공명을 유지하면서 도너 간에 전자 스핀을 공명적으로 이동시키는 것은 가능한가?
• RQ3 31P 도핑 실리콘 내 장수명 핵 스핀 공명 시간은 고장 내성 양자 계산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 이 아키텍처에서 지배적인 오류 원인은 무엇이며, 기존 또는 신규 오류 보정 기법으로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ5 고정밀도 단일 스핀 측정과 전역 제어는 확장 가능하고 모듈러한 양자 컴퓨팅 플랫폼에 어떻게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 클러스터 상태 모델은 스핀-스핀 상호작용의 국소적 제어가 필요 없이 실리콘에서 유니버설 양자 계산을 가능하게 하여 기술적 복잡성을 감소시킨다.
• 전자의 스핀에 대한 전역 제어, 즉 단일 및 이중 큐비트 연산이 약 10^13 스핀 규모에서 고정밀도로 실험적으로 입증되었다.
• 복합 펄스를 사용해 40 ns 이내에 전자-핵 스핀 간의 제어-상태 게이트를 적용할 수 있어 빠른 얽힘 생성이 가능하다.
• 5.5 K에서 31P 핵 스핀은 공명 시간이 1초를 초과하며, 전자 제거 시 더욱 연장 가능할 잠재력이 있다.
• 전자 스핀의 도너 간 이동은 핵심 과제로 지목되며, 현재 실험적 기법은 유망한 성과를 보이고 있으나 추가 개발이 필요하다.
• 이론적 모델에서 일부 경우 최대 50%의 손실에 내성을 지닌 토폴로지 오류 보정 코드를 통해 고장 내성 양자 계산이 가능하다.