[논문 리뷰] Charge based quantum computer without charge transfer

V. Vyurkov, L. Y. Gorelik|ArXiv.org|2000. 09. 24.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전하 이동 없이 작동하는 이중 양자점(DQDs) 기반 양자 컴퓨터를 제안하며, 계산 중 전하 이동이 없어, 불필요한 쿨롱 상호작용에 의한 큐비트 간 얽힘을 억제한다. 게이트 전압으로 제어하는 스핀 교환 상호작용과 전자 국소화를 유지함으로써 고속 동작(1 게이트당 1 ps)과 긴 디코herence 시간을 실현하며, 진동자 결합 억제 및 대칭 보호 덕분에 고장 내성 아키텍처를 제공하며, 1 THz 동작 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

A novel implementation of a charge based quantum computer is proposed. There is no charge transfer during calculation, therefore, uncontrollable entanglement between qubits due to long-range Coulomb forces is suppressed. High-speed computation with 1ps per an operation looks as feasible.

연구 동기 및 목표

• 전하 기반 양자 컴퓨터에서 장거리 쿨롱 상호작용으로 인해 먼 큐비트 간에 불필요한 얽힘 현상이 발생하는 문제를 해결하기 위해.
• 전자-진동자 결합과 전압 노이즈로 인해 전하 큐비트가 짧은 디코herence 시간을 가진다는 일반적인 인식을 넘어설 수 있도록 하기 위해.
• 전하 이동 없이도 유지되는 전자 전하 상태 기반의 확장 가능한 고체 상태 양자 컴퓨팅 아키텍처를 설계하기 위해.
• 대칭 보호 큐비트 상태를 통해 고장 내성 유지하면서도 1 ps당 고속 양자 연산(1 게이트당 1 ps)을 달성하기 위해.
• 에너지 분리가 작을 경우 비음향 진동자에 의한 디코herence가 매우 약해져 장시간의 디코herence 시간을 확보할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 큐비트는 각각 한 개의 전자를 수용하는 두 개의 DQD에 인코딩되며, 계산 상태 |0⟩과 |1⟩은 대칭 및 반대칭 공간 상태의 얽힌 초위상으로 정의된다: |0⟩ = √(1/2)(|+₁−₂⟩ − |+₂−₁⟩), |1⟩ = √(1/2)(|−₁+₂⟩ − |−₂+₁⟩).
• 게이트 전극 E와 T는 각각 잠금 터널링 에너지 장벽 조절을 통한 교환 상호작용 제어와 파동함수 겹침을 통한 터널링 결합 제어를 담당하며, 해밀토니안 H = Aσₓ + Pσ_z를 통해 유니터리 연산을 가능하게 한다.
• 페르미-디랙 통계와 공간 대칭성을 활용하여 |++⟩ 및 |--⟩ 상태로의 전이를 금지함으로써, 대칭 위반 과정에 의한 디코herence를 방지한다.
• E와 T 전극의 전압 변동이 |+⟩와 |−⟩ 상태 간 전이를 유도하지 않음은 시각적 대칭성 덕분이며, 노이즈 유도 오류를 감소시킨다.
• 진동자에 의한 디코herence는 최소화된다: GaAs DQDs에서 22 nm 간격일 경우, 변형 진동자에 대해 디코herence 시간 τ는 10⁶ s를 초과하고, 피에조전기 진동자에 대해서는 10⁻² s를 초과한다.
• 전압 제어의 대안으로 광자 자극 터널링을 제안하며, 빛의 편광을 통해 정밀한 큐비트 주소 지정이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하 기반 양자 컴퓨터가 전하 이동 없이 작동할 수 있는가? 이는 장거리 쿨롱 상호작용에 의한 큐비트 간 얽힘을 제거할 수 있는가?
• RQ2 비음향 진동자에 의한 디코herence가 충분히 억제되어 전하 큐비트에서 장시간 고장 내성 동작이 가능할 수 있는가?
• RQ3 전하 기반 시스템에서 1 ps당 고속 게이트 동작을 달성하면서도 큐비트의 디코herence를 유지할 수 있는가?
• RQ4 DQD에 국한된 게이트 제어만으로도 불필요한 큐비트 간 결합을 유도하지 않고 유니버설 양자 연산을 수행할 수 있는가?
• RQ5 대칭 보호 큐비트 상태가 운영 중 비계산 상태로의 불필요한 전이를 방지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 아키텍처는 계산 중 전하 이동을 완전히 제거하여, 장거리 쿨롱 힘에 의한 큐비트 간 통제 불가능한 얽힘을 방지한다.
• 비음향 진동자에 의한 디코herence는 매우 약하다: 22 nm 간격의 GaAs DQDs에서 변형 진동자에 대해 디코herence 시간 τ는 10⁶ s를 초과하고, 피에조전기 진동자에 대해서는 10⁻² s를 초과한다.
• 시스템은 약 1 ps의 게이트 시간을 달성하여 고속 동작을 실현하며, 이는 1 THz의 클럭 주파수에 해당한다.
• E와 T 전극의 전압 노이즈가 |+⟩와 |−⟩ 상태 간 전이를 일으키지 않음은 시각적 대칭성 덕분이며, 게이트 정밀도를 향상시킨다.
• 비음향 진동자 방출은 변형 진동자에 대해 τ ∼ ε⁻⁵, 피에조전기 진동자에 대해 τ ∼ ε⁻³의 법칙을 따르며, GaAs에서는 후자가 지배적이지만 여전히 긴 τ를 유지한다.
• 이중 진동자 과정이 최종 디코herence 한계를 결정할 수 있지만, 에너지 분리 Δε ≪ kT일 경우조차도 일정한 시간 동안 공명 상태를 유지할 수 있다.