[논문 리뷰] Method of quantum computation with ``hot'' trapped ions

Sara Schneider, Daniel F. V. James외 1명|ArXiv.org|1998. 08. 07.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 3인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 진동 상태의 기본 상태로 냉각할 필요 없이 '핫'한 트랩된 이온을 사용하는 새로운 양자 계산 방법을 제안한다. 아디아바틱 통과와 조건부 위상 이동을 활용함으로써, 고온에서도 보편적인 양자 논리 게이트를 구현할 수 있으며, 트랩된 이온 양자 계산의 실험적 요구 조건을 크게 완화한다.

ABSTRACT

We present a novel method of performing quantum logic gates in trapped ion quantum computers which does not require the ions to be cooled down to their vibrational center of mass (CM) mode ground state. Our scheme employs adiabatic passages and the conditional phase shift first investigated by D'Helon and Milburn (C.~D'Helon and G.J.~Milburn, Phys. Rev. A {\bf 54}, 5141 (1996)).

연구 동기 및 목표

• 진동 상태의 기본 상태로 냉각되지 않은 트랩된 이온으로도 효과적으로 작동하는 양자 계산 체계를 개발하는 것.
• 트랩된 이온 시스템에서 이동 상태의 기본 상태를 확보하고 유지하는 데 있어 주요 실험적 과제를 극복하는 것.
• 열로 인해 인해 상태가 비어 있는 운동 상태에서 조건부 위상 이동과 아디아바틱 통과를 사용하여 보편적인 양자 논리 게이트를 실현하는 것.
• 트랩된 이온 아키텍처에서 실제적이고 이상적이지 않은 열 조건 하에서도 양자 계산의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 트랩된 이온의 내부 큐비트 상태 간에 인구를 일관되게 전이시키기 위해 아디아바틱 통과를 활용한다.
• D'Helon과 Milburn가 처음 제안한 조건부 위상 이동 메커니즘을 활용하여 운동 상태에 따라 큐비트 상태를 얽히게 한다.
• 이온 전이에 공명하는 레이저 필드를 적용하여 비제로 운동 온도 조건 하에서 제어 가능한 역학적 진화를 유도한다.
• 게이트 작동 중 열 운동 진동 상태에 대한 저항성을 확보하기 위해 아디아바틱 조건에 의존한다.
• 열 진동자(phonons)가 존재하는 상태에서도 게이트 정밀도를 유지할 수 있도록 레이저 펄스 시퀀스를 설계한다.
• 기본 상태 냉각이 필요 없이 두 큐비트 게이트를 실현하기 위해 조건부 위상 이동을 핵심 염두 상태로 삼는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동 상태의 기본 상태로 준비되지 않은 트랩된 이온에서도 보편적인 양자 논리 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이온 운동에서 열 진동자 수가 증가함에 따라 양자 게이트의 정밀도가 어떻게 떨어지는가?
• RQ3 아디아바틱 통과가 트랩된 이온 큐비트에서 열 운동에 의해 유도되는 비결정보존과 오류를 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ4 기본 상태가 아닌 운동 환경에서 조건부 위상 이동이 효과적으로 작동할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ5 기본 상태로의 활성 냉각 없이 유한한 온도에서 이온을 사용하여 확장 가능한 양자 계산 아키텍처를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 체계는 이온이 열로 인해 비어 있는 진동 상태에 있을 때조차도 트랩된 이온에서 보편적인 양자 논리 게이트를 실현할 수 있다.
• 아디아바틱 통과가 운동 상태의 자극에 기인한 오류를 효과적으로 억제하여 고온에서도 높은 게이트 정밀도를 유지한다.
• 조건부 위상 이동 메커니즘이 열 조건에서도 견고하게 유지되어 기본 상태 초기화 없이도 얽힘을 생성할 수 있다.
• 이 방법은 이온을 기본 상태로 냉각하는 데서 오는 실험적 부담을 크게 감소시켜 더 실용적인 양자 계산 실현 가능성을 높인다.
• 이론적 분석을 통해 게이트 작동이 상당한 열 진동자 집합이 존재하는 조건에서도 가능하고 정확하다는 것이 확인되었다.
• 이 체계는 기존의 트랩된 이온 아키텍처와 호환되며, 이온 트랩이나 레이저 공급 시스템의 수정이 필요하지 않다.