[论文解读] Acceptor-based silicon quantum computing

B. Golding, M. I. Dykman|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2003

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种基于硅中受主杂质的可扩展固态量子计算机，其中量子比特通过单个硼原子的超精细态进行编码。尽管存在强烈的偶极耦合，该系统在1.5 GHz能级分裂下退相干速率低于1 kHz，在100 nm间距下时钟频率可达0.1 GHz，且在适度微波场作用下质量因子达到10⁵。

ABSTRACT

A solid-state quantum computer with dipolar coupling between qubits is proposed. The qubits are formed by the low-lying states of an isolated acceptor in silicon. The system has the scalability inherent to spin-based solid state systems, but the spatial separation between the qubits is an order of magnitude larger. Despite strong dipolar inter-qubit coupling, the decoherence rate, as measured by electric dipolar echoes at an energy splitting of 1.5 GHz, is less than 1 kHz at low temperatures. For inter-acceptor distances of 100 nm and for modest microwave field amplitudes (50 V/cm) the clock frequency of the quantum computer is 0.1 GHz, which yields a quality factor of 105. This paper describes ideas for detection and operation of the quantum computer, and examines limitations imposed by noise sources.

研究动机与目标

• 解决基于硅体系的固态量子计算中的可扩展性与退相干挑战。
• 通过增加量子比特间距离同时保持强偶极耦合，克服自旋体系的局限性。
• 通过实现长退相干时间和高保真度操作，实现实用化量子计算。
• 研究利用电偶极回声测量与控制量子比特退相干的可行性。
• 评估噪声源对基于受主架构的量子比特保真度和操作极限的影响。

提出的方法

• 利用硅中孤立的硼受主形成量子比特，通过其电子自旋和核自旋态实现编码。
• 通过磁偶极-偶极相互作用实现量子比特间的偶极耦合，从而实现两量子比特门。
• 施加幅度为50 V/cm的微波场，驱动拉比振荡，实现单量子比特操作。
• 利用电偶极回声测量退相干速率，提供一种评估量子比特保真度的方法。
• 在低温（T ≈ 4 K）下建模系统，以最小化热噪声并增强退相干时间。
• 将质量因子估计为门时间与退相干时间之比，基于测量得到的退相干速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强偶极耦合条件下，基于硅的受主量子比特是否能实现长退相干时间？
• RQ2 在实际受主间距下，该系统的最大可实现时钟频率是多少？
• RQ3 在该架构中，退相干速率如何随能级分裂和温度变化而变化？
• RQ4 诸如电荷涨落等噪声源在多大程度上限制了门保真度？
• RQ5 电偶极回声能否提供一种可靠的方法来测量基于受主的量子比特的退相干？

主要发现

• 在1.5 GHz能级分裂下，退相干速率低于1 kHz，表明具有极长的退相干时间。
• 在受主间距为100 nm且微波场强度为50 V/cm时，时钟频率达到0.1 GHz。
• 系统的质量因子估计为10⁵，表明门时间与退相干时间之比具有优势。
• 量子比特之间的空间分离距离比典型自旋体系大一个数量级，显著提升了可扩展性。
• 尽管存在强偶极耦合，系统仍保持低退相干，表明对偶极诱导退相干具有鲁棒性。
• 电偶极回声被证明是测量退相干的可行方法，可实现对量子比特性能的实验验证。