[論文レビュー] Acceptor-based silicon quantum computing

B. Golding, M. I. Dykman|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2003

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、シリコン中の受容体不純物を用いたスケーラブルな固体状態量子コンピュータを提案している。量子ビットは個々のボロン原子のハイパーフィン構造に符号化される。強い双極子結合があるにもかかわらず、1.5 GHzのエネルギー差においてデコherence率が1 kHz未満となり、100 nmの間隔で0.1 GHzのクロック周波数を達成する。これにより、やや強いマイクロ波場下でも10⁵の品質因子が得られる。

ABSTRACT

A solid-state quantum computer with dipolar coupling between qubits is proposed. The qubits are formed by the low-lying states of an isolated acceptor in silicon. The system has the scalability inherent to spin-based solid state systems, but the spatial separation between the qubits is an order of magnitude larger. Despite strong dipolar inter-qubit coupling, the decoherence rate, as measured by electric dipolar echoes at an energy splitting of 1.5 GHz, is less than 1 kHz at low temperatures. For inter-acceptor distances of 100 nm and for modest microwave field amplitudes (50 V/cm) the clock frequency of the quantum computer is 0.1 GHz, which yields a quality factor of 105. This paper describes ideas for detection and operation of the quantum computer, and examines limitations imposed by noise sources.

研究の動機と目的

• シリコンベースのシステムを用いた固体状態量子コンピューティングにおけるスケーラビリティとデコherenceの課題に取り組む。
• スピンベースのシステムの制限を克服し、相互作用する量子ビット間の距離を拡大しながらも、強い双極子結合を維持する。
• 低温下で長時間のコherences時間と高精度な操作を達成することで、実用的な量子計算を可能にする。
• 電気双極子エコーを用いて量子ビットのデコherenceを測定・制御する可能性を調査する。
• ノイズ源が受容体ベースのアーキテクチャにおける量子ビットの忠実度と操作限界に与える影響を評価する。

提案手法

• シリコン中の孤立したボロン受容体を用い、電子スピンおよび核スピン状態によって量子ビットを形成する。
• 磁気双極子-双極子相互作用を通じて量子ビット間の双極子結合を実装し、2量子ビットゲートを可能にする。
• 50 V/cmの強さのマイクロ波場を適用し、ラビ振動を駆動することで単一量子ビット操作を実行する。
• 電気双極子エコーを用いてデコherence率を測定し、量子ビットの忠実度を評価する手法を提供する。
• 低温（T ≈ 4 K）でのモデル化により、熱雑音を低減し、コherencesを向上させる。
• 測定されたデコherence率を用いて、ゲート時間とデコherence時間の比として品質因子を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い双極子結合があるにもかかわらず、シリコン中の受容体ベースの量子ビットは長時間のコherencesを達成できるか？
• RQ2 実用的な受容体間隔における、このシステムの最大達成可能クロック周波数は何か？
• RQ3 このアーキテクチャにおいて、デコherence率はエネルギー差と温度にどのように依存するか？
• RQ4 電荷のフラクチュエーションなどのノイズ源が、ゲート忠実度をどの程度制限するか？
• RQ5 電気双極子エコーは、受容体ベースの量子ビットにおけるデコherence測定に信頼できる手法となるか？

主な発見

• 1.5 GHzのエネルギー差において、デコherence率は1 kHz未満であり、極めて長いコherences時間を示している。
• 受容体間隔が100 nmで、50 V/cmのマイクロ波場を用いる場合、クロック周波数は0.1 GHzに達する。
• システムの品質因子は10⁵と推定され、ゲート時間とデコherence時間の比が良好であることを示している。
• 量子ビット間の空間的分離は、通常のスピンベースのシステムと比べて1桁大きい。これにより、スケーラビリティが向上する。
• 強い双極子結合があるにもかかわらず、システムは低デコherenceを維持しており、双極子誘発デコherenceに対して頑健であることが示唆される。
• 電気双極子エコーが、デコherenceの測定に実用的であることが示され、量子ビット性能の実験的検証が可能になる。