[论文解读] Controlled generation of graph states for quantum computation in spin chains

Stephen R. L. Clark, Carolina Alves+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了一种通过时变XY相互作用与空间可变耦合，在自旋链中精确生成图态的解决方案，实现了通用量子计算。通过利用动力学不变性及在存储链与纠缠链之间进行自旋交换，该方法在无需单个自旋可寻址的情况下实现了通用图态生成，并提出了一种利用光晶格中的冷原子实现可扩展的实验方案。

ABSTRACT

We solve exactly the dynamics of a XY spin chain with fixed spatially varying couplings for a specific time interval, and find it equivalent to a family of quantum circuits which can generate Graph states. We extend this into a scheme which involves swapping selected spins between a storage and entangling chain allowing arbitrary Graph states to be generated. By exploiting an invariance in the dynamics we relax the requirements of single-spin addressability in the scheme. Finally we propose a possible implementations with optical lattices of neutral atoms.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、精确的自旋链图态生成方法，利用时变相互作用。
• 通过利用动力学不变性，克服量子自旋系统中单个自旋可寻址的挑战。
• 设计一种混合架构，结合存储链与纠缠链，并通过自旋交换实现通用图态生成。
• 提出一种基于光晶格中冷中性原子的物理实现方案，以确保实验可行性。

提出的方法

• 精确求解具有空间可变耦合的XY自旋链在特定时间区间内的动力学。
• 证明该解等价于一组生成图态的量子线路。
• 引入双链架构，通过在存储链与纠缠链之间交换自旋，构建任意图态。
• 该方案利用一种动力学不变性，使得即使无法直接控制单个自旋，也能实现纠缠生成。
• 将该协议扩展至通过顺序纠缠操作实现通用图态制备。
• 提出一种基于光晶格中冷原子的物理实现方案，利用现有实验中对自旋相互作用和位置寻址的控制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用具有空间可变耦合的自旋链的精确动力学来生成图态？
• RQ2 如何利用自旋链动力学中的动力学不变性来降低对单个自旋可寻址的需求？
• RQ3 在存储链与纠缠链之间进行自旋交换在实现通用图态生成中起到什么作用？
• RQ4 所提出的方案能否适配至如光晶格中的冷原子等真实物理平台？

主要发现

• 具有空间可变耦合的XY自旋链动力学的精确解，可产生一组生成图态的量子线路。
• 该方案通过顺序纠缠操作实现通用图态制备，且无需单个自旋可寻址。
• 系统中的动力学不变性使得即使无法直接控制单个自旋，也能实现纠缠生成。
• 该协议具有可扩展性，可利用光晶格中的冷中性原子实现，这些系统具备可调谐的自旋相互作用和位置控制能力。