[论文解读] Charge based quantum computer without charge transfer

V. Vyurkov, L. Y. Gorelik|ArXiv.org|Sep 24, 2000

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

该论文提出一种基于电荷的量子计算机，采用双量子点（DQDs）结构，在计算过程中无电荷转移，从而抑制了因库仑相互作用引起的量子比特间非期望纠缠。通过利用门电压调控的交换相互作用并保持电子局域化，该设计实现了高速操作（每门1 ps）和长退相干时间，得益于抑制的声子耦合与对称性保护，提供了一种容错架构，具备实现1 THz运行的潜力。

ABSTRACT

A novel implementation of a charge based quantum computer is proposed. There is no charge transfer during calculation, therefore, uncontrollable entanglement between qubits due to long-range Coulomb forces is suppressed. High-speed computation with 1ps per an operation looks as feasible.

研究动机与目标

• 解决长程库仑相互作用导致电荷基量子计算机中远距离量子比特间产生非期望纠缠的问题。
• 克服电荷量子比特因电子-声子耦合与电压噪声而退相干时间短的普遍认知。
• 设计一种基于电子电荷态的可扩展固态量子计算架构，实现无电荷转移条件下的相干性保持。
• 在通过对称性保护的量子比特态实现容错的同时，实现高速量子操作（每门1 ps）。
• 证明当能级劈裂较小时，声子引起的退相干可极弱，从而实现长相干时间。

提出的方法

• 量子比特编码于两个双量子点（DQDs）中，每个DQD包含一个电子，计算态|0⟩和|1⟩定义为对称与反对称空间态的纠缠叠加：|0⟩ = √(1/2)(|+₁−₂⟩ − |+₂−₁⟩)，|1⟩ = √(1/2)(|−₁+₂⟩ − |−₂+₁⟩)。
• 栅极电极E和T分别通过势垒调制控制交换相互作用，通过波函数重叠控制隧穿耦合，实现通过哈密顿量H = Aσₓ + Pσ_z的幺正操作。
• 系统利用费米-狄拉克统计与空间对称性，禁止跃迁至|++⟩和|--⟩态，从而防止由对称性破缺引起的退相干。
• 由于结构对称性，E和T电极上的电压涨落不会引起|+⟩与|−⟩态之间的跃迁，从而降低噪声引起的误差。
• 声子引起的退相干被最小化：对于间距22 nm的GaAs DQDs，形变声子的退相干时间τ超过10⁶ s，压电声子的退相干时间τ超过10⁻² s。
• 提出光激发隧穿作为电压控制的替代方案，通过光束偏振实现对量子比特的精确寻址。

实验结果

研究问题

• RQ1 电荷基量子计算机能否在无电荷转移的情况下运行，从而消除因长程库仑力引起的量子比特间非期望纠缠？
• RQ2 声子引起的退相干能否被充分抑制，以实现在电荷量子比特中长期容错运行？
• RQ3 电荷基系统能否在保持量子比特相干性的同时实现高速门操作（每门1 ps）？
• RQ4 仅通过DQDs上的局域门控制是否能够实现通用量子计算，且不引发非期望的量子比特间耦合？
• RQ5 对称性保护的量子比特态能否在运行过程中防止向非计算态的非期望跃迁？

主要发现

• 所提出的架构在计算过程中消除了电荷转移，从而防止了因长程库仑力导致的不可控量子比特间纠缠。
• 声子引起的退相干极弱：对于间距22 nm的GaAs DQDs，形变声子的退相干时间τ超过10⁶ s，压电声子的退相干时间τ超过10⁻² s。
• 系统实现了高速操作，门时间约为1 ps，对应时钟频率1 THz。
• 由于结构对称性，E和T电极上的电压噪声不会引起|+⟩与|−⟩态之间的跃迁，从而提高了门保真度。
• 声子自发发射的退相干时间满足τ ∼ ε⁻⁵（形变声子）和τ ∼ ε⁻³（压电声子），其中后者在GaAs中占主导，但退相干时间仍极长。
• 两声子过程可能设定最终的退相干极限，但即使在该极限下，当能级劈裂Δε ≪ kT时，相干性仍可保持任意长时间。