[논문 리뷰] Quantum spin transistors in superconducting circuits

Niels Jakob Søe Loft, Lasse Bjørn Kristensen외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 헤이젠베르그 상호작용을 갖는 네 개의 트랜스몬 큐비트를 사용하는 초전도 양자 스핀 트랜지스터를 제안하며, 두 개의 게이트 큐비트에 의해 제어되는 완벽한 상태 전송 또는 차단을 가능하게 한다. 장치는 최소한의 외부 제어로 내재된 동역학을 통해 작동하며, 현실적인 디코herence 조건에서도 고정밀도 작동을 달성하여 모듈러 양자계산을 위한 확장 가능하고 고성능의 양자 트랜지스터 설계를 입증한다.

ABSTRACT

Transistors play a vital role in classical computers, and their quantum mechanical counterparts could potentially be as important in quantum computers. Where a classical transistor is operated as a switch that either blocks or allows an electric current, the quantum transistor should operate on quantum information. In terms of a spin model the in-going quantum information is an arbitrary qubit state (spin-1/2 state). In this paper, we derive a model of four qubits with Heisenberg interactions that works as a quantum spin transistor, i.e. a system with perfect state transfer or perfect blockade depending on the state of two gate qubits. When the system is initialized the dynamics complete the gate operation, hence our protocol requires minimal external control. We propose a concrete implementation of the model using state-of-the-art superconducting circuits. Finally, we demonstrate that our proposal operates with high-fidelity under realistic decoherence.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보를 스위치로 작동하는 양자 트랜지스터를 설계하여, 고전적 트랜지스터와 유사하게 큐비트 상태에서 작동하도록 한다.
• 헤이젠베르그 XXZ 상호작용을 갖는 네 큐비트 시스템을 실현하여, 게이트 큐비트 상태에 따라 완벽한 상태 전송 또는 완벽한 차단을 가능하게 한다.
• 스케일러빌리티와 기존 양자계산 플랫폼과의 호환성을 위해, 특히 트랜스몬 큐비트를 사용하여 장치를 실현한다.
• 실제 디코herence 및 교차 간섭 효과 조건에서도 고정밀도 작동을 입증하여, 양자 네트워크에 대한 실용적 타당성을 확보한다.
• 초기화 후에 활성 제어 없이도 작동할 수 있도록 내재된 동역학에 의존하여 외부 제어를 최소화한다.

제안 방법

• 시스템은 헤이젠베르그 XX 및 XXZ 유형의 상호작용을 갖는 네 개의 스핀-1/2 입자로 모델링되며, 두 중앙 큐비트는 왼쪽 및 오른쪽 큐비트의 동역학을 제어하는 게이트 큐비트로 기능한다.
• hamiltonian은 트랜스몬 큐비트가 공진기 및 인덕터를 통해 결합된 초전도 회로에서 유도되며, 커패시티브 및 조지프종 접합 결합이 필요한 스핀 상호작용을 생성한다.
• 핵심 결합 강도는 회로 파rameter를 사용하여 계산되며: $ J_x $ 는 커패시티브 및 인덕티브 결합에서 유도되고, $ J_z $ 는 2차 조지프종 항에서 유도되며, $ J_4 $ 는 원거리 큐비트 간의 교차 간섭 항이다.
• 게이트 큐비트 주파수 $ \theta $ 와 디테uning $ \triangle $ 는 회로의 에너지 스케일에서 유도되어 제어 功能을 위한 적절한 수준 분할을 보장한다.
• 교차 간섭 결합 $ J_4 $ 는 $ C_J $ 와 $ C_R $ 의 증가를 통해 억제되어 $ J_z $ 의 1% 미만으로 감소시키며, 이는 고정밀도 차단을 가능하게 한다.
• 수치 시뮬레이션은 이상적 조건, 현실적인 회로 조건, 노이즈 조건에서 장치의 성능을 검증하며, 일반 입력 상태 $ |\rho\rangle = (\rvert\rightarrow\rangle + r e^{i\theta} \rvert\rightarrow\rangle)/\sqrt{1+r^2} $ 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 회로에서 헤이젠베르그 상호작용을 갖는 네 큐비트 시스템이 완벽한 상태 전송 또는 차단을 가능하게 하는 양자 트랜지스터로 작동할 수 있는가?
• RQ2 내재된 동역학과 초기 상태 준비에 의존하여 최소한의 외부 제어로 어떻게 게이트 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ3 필요한 헤이젠베르그 상호작용을 실현하고 해로운 교차 간섭 결합을 억제하기 위해 어떤 회로 파rameter가 필요한가?
• RQ4 제안된 설계가 현실적인 디코herence 및 노이즈 조건에서도 얼마나 높은 정밀도로 작동하는가?
• RQ5 기존 초전도 큐비트 플랫폼인 트랜스몬, Xmon, 플럭스onium 등에서 장치를 실현할 수 있는가? 이는 확장성과 모듈러리티를 보장하는가?

주요 결과

• 제안된 양자 스핀 트랜지스터는 두 게이트 큐비트 상태에 따라 완벽한 상태 전송 또는 완벽한 차단을 달성하며, 이상적 조건에서는 정밀도가 1에 가까워진다.
• 실제 회로 파rameter 조건에서도 상태 전송 정밀도가 높게 유지되며, 노이즈 및 교차 간섭을 포함한 조건에서도 수치 시뮬레이션을 통해 뛰어난 성능을 입증한다.
• 커패시턴스 $ C_J $ 와 $ C_R $ 의 증가를 통해 교차 간섭 결합 $ J_4 $ 는 $ J_z $ 의 1% 미만으로 억제되어 고정밀도 차단이 효과적으로 가능해진다.
• 게이트 큐비트 주파수 $ \theta $ 와 디테uning $ \triangle $ 는 회로 파rameter에서 해석적으로 유도되어 원하는 작동 조건을 정밀하게 조정할 수 있다.
• 초기화 후에 활성 제어 없이도 자율적으로 작동하므로 안정성과 확장성 향상에 기여한다.
• 디자인은 트랜스몬, Xmon, 플럭스 큐비트, 플럭스오니움 등 다양한 초전도 큐비트 유형과 호환되어 광범위한 구현 가능성을 지닌다.