[论文解读] Phase control of local and non-local entanglement in a triple spin qubit

Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用 5

一句话总结

本文展示了在具有三个可寻址自旋量子比特的三量子点（QD）系统中，对局域与非局域纠缠实现相位调控。通过使用第三个交换耦合的自旋作为控制量子比特，作者利用局域Zeeman场在两个相邻量子比特中诱导出相位调制的单重态-三重态振荡，从而在局域耦合与非局域纠缠的自旋对中实现了相干的纠缠控制。

ABSTRACT

Entanglement is at the heart of quantum mechanics and an essential ingredient of spin correlations in superconductivity and the Kondo effect and quantum non-locality of noninteracting particles1–4. Non-local entanglement is also key to quantum computation outperforming classical computers5 and has now begun to be applied to various atom and photonbased quantum information technologies6. Despite many technical advances in manipulating electron spins in solids, entanglement control has only been realized for two coupled qubits in quantum dots (QDs), mainly by local SWAP operations7–11. Here we use a triple QD with three addressable spin qubits to demonstrate phase control of locally entangled two or three electron spins and two non-locally entangled uncoupled spins. Singlet-triplet oscillation of two locally entangled spins in adjacent dots is induced by a built-in local Zeeman field, and phase-modulated using the exchange-coupled third spin as a control bit. Non-local entangle-

研究动机与目标

• 通过在三量子点架构中利用第三个可寻址自旋量子比特，将纠缠控制扩展至两量子比特系统之外。
• 通过内置Zeeman场与交换耦合，实现对局域耦合电子自旋的相干相位调制纠缠。
• 通过第三自旋量子比特的间接控制，实现两个未直接耦合自旋之间的非局域纠缠。
• 通过在多量子比特自旋系统中实现纠缠相位的动态控制，建立可扩展的量子信息处理平台。

提出的方法

• 利用具有三个独立可寻址电子自旋量子比特的三量子点（QD）阵列，实现对自旋态的精确控制。
• 采用局域Zeeman场在两个相邻量子比特中诱导单重态-三重态振荡，实现相干的局域纠缠。
• 利用第三个量子比特与纠缠自旋对之间的交换耦合，作为纠缠相位调制的控制位。
• 应用可调制的交换相互作用，以相干方式操控非局域量子比特之间纠缠态的相对相位，而无需它们之间的直接耦合。
• 采用量子态层析成像与时间分辨测量，验证纠缠与相位控制的保真度。
• 设计该系统以在真实的固态约束条件下，保持对局域与非局域纠缠态的相干性与控制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否仅通过局部相互作用与一个控制量子比特，即可在三自旋量子比特系统中实现纠缠的相位控制？
• RQ2 交换耦合的第三个自旋如何调制两个局域耦合量子比特之间纠缠的相位？
• RQ3 通过第三自旋的间接控制，在三量子点架构中是否可行实现两个未耦合自旋之间的非局域纠缠？
• RQ4 在真实的Zeeman场与交换耦合条件下，该系统中相位调制纠缠的相干性与保真度如何？
• RQ5 该架构是否可通过将纠缠控制扩展至两量子比特系统之外，支持可扩展的量子信息处理？

主要发现

• 通过Zeeman场与与第三个自旋量子比特的交换耦合，实现了对两电子局域纠缠态的相位控制，实现了对纠缠相位的相干操控。
• 第三个自旋作为控制量子比特，调制了相邻量子比特对中单重态-三重态叠加态的相对相位，展示了条件控制能力。
• 通过第三自旋介导的间接耦合，实现了两个未直接耦合自旋之间的非局域纠缠，证实了在固态平台中实现非局域纠缠的可行性。
• 该系统表现出单重态与三重态之间可测量相位偏移的相干振荡，表明纠缠控制具有高保真度。
• 实验设置可在无需纠缠对之间直接自旋-自旋相互作用的情况下，实现纠缠相位的动态调谐。
• 结果表明，三QD架构能够支持具有相位控制的局域与非局域纠缠，为多量子比特量子逻辑操作铺平了道路。