[论文解读] Quantum computation by optically coupled steady atoms/quantum-dots inside a quantum electro-dynamic cavity

Prabhakar Pradhan, M. P. Anantram+1 more|ArXiv.org|Feb 2, 2000

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种可扩展的量子计算架构，利用被限制在高精细度腔中的固定三能级原子或量子点，通过斯塔克效应实现单个量子比特的独立寻址，并利用腔光子作为公共模式量子比特，实现通用量子门。该模型通过单量子比特旋转和受控相位操作实现通用量子计算，退相干时间比操作周期长出10⁶倍，使其适用于容错计算。

ABSTRACT

We present a model for quantum computation using n steady 3-level atoms or 3-level quantum dots, kept inside a quantum electro-dynamics (QED) cavity. Our model allows one-qubit operations and the two-qubit controlled-NOT gate as required for universal quantum computation. The n quantum bits are described by two energy levels of each atom/dot. An external laser and n separate pairs of electrodes are used to address a single atom/dot independent of the others, via Stark effect. The third level of each system and an additional common-mode qubit (a cavity photon) are used for realizing the controlled-NOT operation between any pair of qubits. Laser frequency, cavity frequency, and energy levels are far off-resonance, and they are brought to resonance by modifying the energy-levels of a 3-level system using the Stark effect, only at the time of operation.

研究动机与目标

• 解决现有量子计算平台（如离子阱和腔量子电动力学系统）在可扩展性和单个量子比特控制方面面临的挑战。
• 通过提出固定原子或量子点替代移动原子，克服腔量子电动力学系统中移动原子的局限性，实现稳定、可重复的操作。
• 仅通过公共模式腔光子实现单量子比特旋转和两量子比特受控相位门，实现通用量子计算。
• 确保退相干时间相对于门操作时间足够长，实现约10⁶的比值，这对于容错量子计算至关重要。
• 提供一种与固态系统兼容的模型，结合腔量子电动力学与离子阱架构的优势，利用外部电极和激光进行控制。

提出的方法

• 量子比特编码在每个三能级原子或量子点的两个最低能级上，第三能级用于受控相互作用。
• 通过在局部电极上施加外部电压，利用斯塔克效应实现单个量子比特的寻址，仅改变目标量子比特的能量水平。
• 腔光子作为公共模式量子比特，通过共振相互作用在任意两个量子比特之间传递纠缠。
• 通过依次将目标量子比特与腔体调至共振，利用Rabi振荡时间π/Ωc，随后施加π脉冲以交换状态，实现受控相位操作。
• 通过保持较大的失谐（δ ≈ 4×10⁶ Hz），最小化非共振演化，确保非操作期间相位积累可忽略不计。
• 通过将量子比特与腔体共振耦合，将量子比特状态转移至光子，再在外部检测，实现测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅通过局部电场实现单个量子比特的寻址，而无需为每个量子比特配备独立激光？
• RQ2 在可扩展架构中，公共模式腔光子是否能够实现任意一对量子比特之间的通用两量子比特纠缠门？
• RQ3 在固定原子或量子点的腔系统中，是否可行维持相对于门操作时间足够长的退相干时间？
• RQ4 是否能够充分抑制非共振相位演化，以确保门操作的可靠性？
• RQ5 该模型是否可扩展至使用长相干时间量子点的固态系统？

主要发现

• 该模型实现了退相干时间与门操作时间之比约为10⁶，表明在相干窗口内可执行多达10⁶次操作。
• 对于Rydberg原子，当ωge₀ ≈ 5×10¹⁰ Hz，Ωc ≈ 4×10⁵ Hz，且δ ≈ 4×10⁶ Hz时，由于失谐较大，非共振相位演化可忽略不计。
• 对于量子点，当ωge₀ ≈ 1 THz且Ωc ≈ 10⁸ Hz时，若相位相干长度超过1/Ωc，则系统保持相干，这在隔离且经过工程设计的量子点中是可实现的。
• 利用斯塔克移位可实现对单个量子比特的选择性寻址，而无需使用空间聚焦激光，从而实现可扩展性。
• 受控相位门通过一系列共振Rabi振荡和π脉冲实现，每次操作后腔体恢复至真空态。
• 通过共振耦合将量子比特状态转移至腔光子，并检测发射光子，可实现最终状态的测量。