[论文解读] Quantum computation with three-electron double quantum dots at an optimal operation point

Sebastian Mehl|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了一种通用的、高保真度的量子计算方案，采用三电子双量子点（混合量子比特）在抗噪声敏感点运行。通过利用电场控制的单量子比特门以及弱库仑/交换相互作用实现两量子比特纠缠门，该方法在硅和砷化镓平台的真实噪声条件下实现了鲁棒的高保真度量子控制。

ABSTRACT

The author analyzes quantum computation with the hybrid qubit (HQ) that is encoded using the three-electron configuration of a double quantum dot. All gate operations are controlled with electric signals, while the qubit remains at an optimal operation point that is insensitive to noise. An effective single-qubit description is derived, and two-qubit interactions are suggested using Coulomb and exchange interactions. Universal quantum control is described and numerically simulated using realistic parameters for HQs in Si and GaAs. High-fidelity quantum computing at the threshold of quantum error correction is possible if the Coulomb interactions between the HQs stay weak.

研究动机与目标

• 在保持于抗噪声敏感点的同时，实现三电子双量子点（混合量子比特）的通用量子计算。
• 开发在避免能级交叉点运行、对低频电荷噪声具有鲁棒性的电控单量子比特门。
• 设计利用混合量子比特之间弱库仑和交换相互作用的两量子比特纠缠门，确保与高保真度控制的兼容性。
• 证明当所有量子比特均在各自敏感点运行时，高保真度量子操作在真实噪声源下是可实现的。
• 为硅和砷化镓平台提供实验可行的初始化、测量和通用门集协议。

提出的方法

• 通过在(1,2)和(2,1)电荷构型附近的避免能级交叉点进行微扰分析，推导出混合量子比特的有效单量子比特哈密顿量。
• 应用二阶施莱弗-沃尔夫微扰理论，将完整多体哈密顿量映射到有效低能子空间，将量子比特态与泄漏通道分离。
• 通过邻近量子点之间的库仑和交换相互作用建模量子比特间耦合，耦合强度由虚激发态之间的矩阵元导出。
• 使用保真度度量（公式28）量化门性能，通过在最大纠缠贝尔态上比较真实与理想操作的时间演化来评估。
• 使用硅和砷化镓混合量子比特的真实参数进行数值模拟，包括主要噪声源如电噪声和磁噪声。
• 设计调谐协议，确保在单量子比特和两量子比特操作过程中量子比特始终保持在敏感点，最大限度减少低频噪声引起的退相干。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在抗噪声敏感点运行三电子双量子点编码的混合量子比特，同时实现高保真度的单量子比特操作？
• RQ2 如何仅利用混合量子比特之间的弱库仑和交换相互作用实现两量子比特纠缠门，而无需强耦合？
• RQ3 避免能级交叉在实现高保真度电控单量子比特门中起到什么作用？
• RQ4 混合量子比特在保持电荷比特快速可调性的同时，能在多大程度上保留自旋类保护以抵御电荷噪声？
• RQ5 当所有量子比特在硅和砷化镓平台中均在敏感点运行时，真实噪声模型下可实现的门保真度是多少？

主要发现

• 通过在避免能级交叉点附近施加电脉冲，可实现高保真度的单量子比特门，同时保持在敏感点以抑制电荷噪声。
• 两量子比特纠缠门由混合量子比特之间的弱库仑和交换相互作用实现，其有效哈密顿量通过二阶施莱弗-沃尔夫微扰理论推导得出。
• 在真实噪声条件下模拟的门操作中，保真度超过0.99，表明高保真度量子控制是可实现的。
• 混合量子比特在敏感点处保持足够的自旋特性，可抵御电荷噪声，同时保留电荷比特的快速可调性以实现高速门操作。
• 数值模拟证实，只要量子比特间库仑相互作用保持微弱，在硅和砷化镓平台中使用真实参数即可实现通用量子控制。
• 该方法在容错量子误差纠正的阈值范围内实现了高保真度量子计算，所有量子比特均在抗噪声敏感点运行。