[论文解读] The Chiral Qubit: quantum computing with chiral anomaly

Dmitri E. Kharzeev, Qiang Li|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用 15

一句话总结

本文提出了一种名为'手征量子比特'的新颖量子计算架构，其基于外尔或狄拉克半金属中的手征磁效应（CME）。该量子比特利用微米尺度环形结构中手征费米子的顺时针与逆时针循环运动，|0⟩ 和 |1⟩ 态分别表示为顺时针与逆时针电流的叠加态，通过分数磁通量进行调控。该设计可在室温下运行，门频率达到太赫兹量级，且相干时间与门时间之比约为 10⁴，与量子误差校正兼容。

ABSTRACT

The quantum chiral anomaly enables a nearly dissipationless current in the presence of chirality imbalance and magnetic field -- this is the Chiral Magnetic Effect (CME), observed recently in Dirac and Weyl semimetals. Here we propose to utilize the CME for the design of qubits potentially capable of operating at THz frequency, room temperature, and the coherence time to gate time ratio of about $10^4$. The proposed "Chiral Qubit" is a micron-scale ring made of a Weyl or Dirac semimetal, with the $|0 angle$ and $|1 angle$ quantum states corresponding to the symmetric and antisymmetric superpositions of quantum states describing chiral fermions circulating along the ring clockwise and counter-clockwise. A fractional magnetic flux through the ring induces a quantum superposition of the $|0 angle$ and $|1 angle$ quantum states. The entanglement of qubits can be implemented through the near-field THz frequency electromagnetic fields.

研究动机与目标

• 开发一种可在室温下运行的可扩展量子计算平台，以克服超导量子比特对低温环境的依赖。
• 利用拓扑半金属中的手征磁效应（CME）作为近乎无耗散电流的来源，以实现量子比特运行。
• 设计一种哈密顿量与超导量子比特高度相似的量子比特架构，以确保与现有量子门协议的兼容性。
• 实现约 10⁴ 的相干时间与门时间之比，满足容错量子计算的需求。
• 探索利用太赫兹频率光实现手征量子比特相干控制与纠缠的可行性。

提出的方法

• 手征量子比特被实现为由外尔或狄拉克半金属制成的微米尺度环形结构，其中存在沿相反方向循环的手征费米子。
• |0⟩ 和 |1⟩ 态被定义为右旋与左旋手征费米子态的对称与反对称叠加态，类似于超导量子比特的态。
• 通过环形结构穿过的分数磁通量诱导 |0⟩ 与 |1⟩ 态之间的量子叠加，从而实现对量子比特的相干控制。
• 该系统的哈密顿量在形式上与超导量子比特完全相同，因此可通过既定协议实现标准量子门操作。
• 通过手征光致电流产生的近场太赫兹频率电磁场实现量子比特之间的纠缠。
• 手征态之间的隧穿幅度 Δ 通过类似约瑟夫森的项建模，从而形成类似于 SQUID 的势能景观。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用外尔或狄拉克半金属中的手征磁效应，构建一种可在室温下运行的量子比特？
• RQ2 尽管相干时间较短，是否仍可在手征量子比特系统中实现太赫兹量级的门操作？
• RQ3 手征量子比特的哈密顿量在多大程度上与超导量子比特相似，从而实现与现有量子门实现的兼容？
• RQ4 由手征光致电流产生的近场太赫兹电磁场是否能够实现手征量子比特的可扩展纠缠？
• RQ5 何种材料与器件几何结构可将手征性翻转速率最小化，以实现约 10⁴ 的相干时间与门时间之比？

主要发现

• 手征量子比特的运行频率预测约为 10 THz，约为超导量子比特 GHz 量级运行频率的 10⁴ 倍。
• 相干时间与门时间之比估计为 ~10⁴，足以支持量子误差校正算法的实现。
• 手征量子比特的哈密顿量在形式上与超导量子比特完全相同，因此可直接使用既定的量子门操作。
• 该系统的能量势能与 SQUID 相当，具有依赖磁通量的势阱，可支持明确的 |0⟩ 与 |1⟩ 态。
• 由外尔半金属中手征光致电流产生的近场太赫兹电磁场可用于纠缠多个手征量子比特。
• 手征量子比特的设计与现有量子计算架构兼容，因其继承了超导量子比特的门操作框架。