[论文解读] Identifying phases of matter that are universal for quantum computation

Andrew C. Doherty, Stephen D. Bartlett|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2008

Quantum many-body systems被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于簇态模型的自旋晶格系统，该系统在无序相与有序簇相之间表现出量子相变。通过使用非局域关联函数来衡量远距离量子比特之间的门保真度，结果表明有序相能够支持一个通用的量子门集合，从而建立了一个基于多体基态的通用量子计算平台。

ABSTRACT

Quantum computation can proceed solely through single-qubit measurements on an appropriate quantum state, such as the ground state of an interacting many-body system. We investigate a simple spin-lattice system based on the cluster-state model, and by using nonlocal correlation functions that quantify the fidelity of quantum gates performed between distant qubits, we demonstrate that it possesses a quantum (zero-temperature) transition between a disordered and an ordered cluster phase in which it is possible to perform a universal set of quantum gates.

研究动机与目标

• 识别支持通用量子计算的多体自旋系统中的量子相。
• 确定相互作用多体系统的基态是否可通过单量子比特测量实现通用量子门。
• 利用非局域关联函数表征无序相与有序簇相之间的相变。
• 确立零温量子系统中存在通用量子计算相。

提出的方法

• 该研究采用基于簇态形式化的自旋晶格模型，通过单量子比特测量模拟量子计算。
• 使用非局域关联函数量化远距离量子比特之间实现的量子门保真度。
• 分析系统的相图，以识别无序相与有序簇相之间的量子（零温）相变。
• 评估有序相通过仅测量的量子计算方式支持通用量子门集合的能力。
• 关联函数的理论分析揭示了实现通用门操作所必需的长程纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 多体量子系统的基态是否可通过单量子比特测量支持通用量子计算？
• RQ2 该系统中无序相与有序簇相之间相变的关键性质是什么？
• RQ3 非局域关联函数如何反映远距离量子比特之间量子门的保真度？
• RQ4 系统中是否存在可通过仅测量协议实现通用量子门集合的相？

主要发现

• 该系统在无序相与有序簇相之间表现出零温量子相变。
• 有序簇相支持一个通用的量子门集合，从而实现基于测量的量子计算。
• 非局域关联函数证实了在有序相中远距离量子比特之间的量子门操作具有高保真度。
• 有序相中长程关联的存在使得无需局域控制即可实现通用量子计算。