[论文解读] Implementation of controlled multi-qudit operations for a solid-state quantum computer based on charge qudits

S. G. Schirmer, Andrew D. Greentree+1 more|ArXiv.org|May 9, 2003

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于硅基质中电荷高基子的可扩展固态量子计算架构，通过辅助量子点实现可控的多高基子门操作，借助可调谐隧穿和库仑耦合实现纠缠相互作用。该方法实现了可控、空间局域化的量子门操作，支持通用量子计算，并通过偏好使用三态子（D=3）优化了希尔伯特空间维度，即使在使用辅助位的情况下亦然。

ABSTRACT

We consider a mechanism to generate controllable qudit-qudit interactions in a charge-position paradigm for a quantum computer, through the use of auxiliary states. By controlling the tunneling rates onto these auxiliaries from the qudits proper, we can controllably switch the entangling operations. We consider a practical architecture in which to realize such a computer and examine the associated Hilbert space dimension.

研究动机与目标

• 开发一种基于硅中电荷高基子的可扩展、实用化的固态量子计算架构。
• 解决在基于电荷的量子系统中实现可控、多粒子纠缠门的挑战。
• 通过可控的多高基子操作实现通用量子计算和高效的量子误差纠正。
• 在实际硬件约束下，优化量子寄存器的希尔伯特空间维度。
• 展示利用表面栅极电极实现可扩展、空间局域化控制的可行性。

提出的方法

• 利用硅基质中的施主杂质形成具有D个局域极小值的量子点，构建D维高基子希尔伯特空间。
• 采用屏障（B）栅极控制相邻量子点之间的隧穿速率，实现叠加态。
• 使用移位（S）栅极对单个高基子态施加局部能量偏移，实现单高基子酉操作。
• 引入辅助量子点，通过可调谐库仑耦合介导可控的多高基子相互作用。
• 通过相干地将高基子态布居转移至辅助态来控制相互作用，实现门操作后，再将其返回原态。
• 按顺序施加B栅极和S栅极的电压脉冲，实现受控相位门和通用门集。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否仅通过局域控制即可在固态电荷高基子系统中实现可控的多高基子纠缠门？
• RQ2 引入辅助量子点如何影响量子寄存器的有效希尔伯特空间维度？
• RQ3 在辅助位使用受限的实际约束下，何种高基子维度D能最大化希尔伯特空间维度？
• RQ4 所提出的方案能否支持通用量子计算和高效的量子误差纠正？
• RQ5 由于控制场的空间局域化，是否可能在不相交的子集上同时实现多高基子操作？

主要发现

• 当每个高基子不使用或仅使用一个辅助位时，划分为三态子（D=3）可使寄存器的希尔伯特空间维度最大化。
• 当每个高基子使用一个辅助位时，希尔伯特空间维度降低为D^{K/(D+1)}，相较于无辅助位时的D^{K/D}。
• 当每对高基子共享一个辅助位（每对一个辅助位）时，有效希尔伯特空间维度提升至D^{K/(D+0.5)}。
• 该架构可通过组合受控相位门与单高基子操作，实现任意相邻高基子之间的两体门操作。
• 由于控制场的空间局域化，该方法支持在不相交子集上同时进行多高基子操作，提升了并行性。
• 当D>3时，希尔伯特空间维度的增加较小，可能被门操作复杂度和测量开销的增加所抵消。