[论文解读] A silicon-based cluster state quantum computer

John J. L. Morton|ArXiv.org|May 25, 2009

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于硅中掺杂原子自旋的可扩展量子计算架构，利用簇态模型消除对自旋-自旋相互作用的局域控制需求。通过全局操控电子自旋并相干地在掺杂原子间转移电子自旋，该方案将核自旋纠缠为通用簇态，实现具有长相干时间与高保真度操作的容错量子计算。

ABSTRACT

It has been over ten years since Kane's influential proposal for a silicon-based nuclear spin quantum computer using phosphorous donors. Since then, silicon-based architectures have been refined as the experimental challenges associated with the original proposal have become better understood, while simultaneously a number of powerful and generic models for quantum computation have emerged. Here, I discuss how the cluster state or "one-way" model for quantum computing might be advantageously applied to donors in silicon, with the potential to substantially reduce the practical requirements of a successful implementation. The essence of the scheme is to use the electron spin associated with a donor to weave an entangled network between 31P donor nuclear spins. This resource has been shown to have exceptional coherence times and supports universal quantum computation through local measurements on the nuclear spins. Some of the key ingredients, such as global spin manipulation, have been robustly established, while others, such as single spin measurement, have seen much progress in recent years. A key challenge will be the demonstration of electron transfer between donors that preserves spin coherence.

研究动机与目标

• 为解决硅基量子计算中的可扩展性挑战，通过全局操作替代局域自旋控制。
• 利用硅中31P核自旋的长相干时间（超过一秒）实现稳定的量子比特存储。
• 在固态平台上通过单向量子计算模型，展示实现通用量子计算的实用路径。
• 识别并缓解关键技术障碍，特别是电子自旋在掺杂原子间相干转移的同时保持自旋相干性。
• 通过与簇态架构兼容的拓扑错误纠正码实现容错性。

提出的方法

• 使用全局微波和射频脉冲将所有电子自旋与核自旋初始化为|+⟩态。
• 通过各向同性超精细耦合（≈120 MHz）实现电子与核自旋之间的全局受控相位门，实现量子比特纠缠。
• 利用电场相干地在相邻掺杂原子间转移电子自旋，保持传输过程中的自旋相干性。
• 在σy基下对电子自旋进行全局测量，将核自旋投影至通用簇态。
• 利用电子自旋作为资源，通过SWAP操作冷却核自旋，实现高初始极化。
• 通过自适应测量模式实现局部测量与单量子比特旋转，完成通用量子计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 簇态模型能否在硅基掺杂原子自旋系统中有效实现，从而减少对局域控制的需求？
• RQ2 在保持自旋相干性以支持量子信息处理的前提下，电子自旋在掺杂原子间的相干转移是否可行？
• RQ3 能否利用31P掺杂硅中核自旋的长相干时间实现容错量子计算？
• RQ4 该架构中的主要误差源是什么？能否通过现有或新型错误纠正方案加以缓解？
• RQ5 如何将高保真度单自旋测量与全局控制集成到可扩展、模块化的量子计算平台中？

主要发现

• 簇态模型可在硅中实现无需局域控制自旋-自旋相互作用的通用量子计算，显著降低技术复杂度。
• 电子自旋的全局控制（包括单量子比特与双量子比特操作）已在约10^13个自旋规模下实验实现，保真度高。
• 通过复合脉冲可在40 ns内实现电子与核自旋间的受控相位门，支持快速纠缠生成。
• 在5.5 K下，31P核自旋在硅中的相干时间超过一秒，且在移除电子后具有进一步延长的潜力。
• 电子自旋在掺杂原子间的转移被识别为关键挑战，当前实验技术显示前景，但仍需进一步发展。
• 该方案可通过拓扑码与错误纠正支持容错量子计算，部分模型中容错阈值可容忍高达50%的损耗。