[论文解读] Quantum information processing in semiconductor nanostructures

John H. Reina, Luis Quiroga+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2000

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出两种半导体量子点中的量子信息处理方案：(1) 利用耦合量子点中的受控光脉冲实现全光学生成最大纠缠的贝尔态和GHZ态，从而实现固态量子隐形传态；(2) 基于核磁共振（NMR）的量子开关，通过外部磁场调节电子-核自旋超精细耦合，实现具有长退相干时间的容错量子逻辑门。主要贡献在于在真实退相干条件下，展示了对固态系统中量子比特的可行且相干的控制。

ABSTRACT

A major question for condensed matter physics is whether a solid-state quantum computer can ever be built. Here we discuss two different schemes for quantum information processing using semiconductor nanostructures. First, we show how optically driven coupled quantum dots can be used to prepare maximally entangled Bell and Greenberger-Horne-Zeilinger states by varying the strength and duration of selective light pulses. The setup allows us to perform an all-optical generation of the quantum teleportation of an excitonic state in an array of coupled quantum dots. Second, we give a proposal for reliable implementation of quantum logic gates and long decoherence times in a quantum dots system based on nuclear magnetic resonance (NMR), where the nuclear resonance is controlled by the ground state transitions of few-electron QDs in an external magnetic field. The dynamical evolution of these systems in the presence of environmentally-induced decoherence effects is also discussed.

研究动机与目标

• 开发一种基于半导体纳米结构的可扩展固态量子信息处理平台。
• 通过光驱动的耦合量子点，实现最大纠缠激发子态（贝尔态与GHZ态）的生成与控制。
• 提出一种可靠且低退相干的机制，利用量子点中的核自旋量子比特，通过可调超精细耦合实现容错量子逻辑门。
• 证明环境退相干（尤其是声子引起的退相干）并不一定破坏受驱动量子点系统中的量子相干性。
• 建立一种基于固态NMR的量子开关，能够以高保真度执行单量子比特旋转和C-NOT门操作。

提出的方法

• 利用选择性光脉冲驱动耦合量子点中电子态之间的相干拉比振荡，实现贝尔态与GHZ态的制备。
• 采用赝自旋算符与密度矩阵形式化方法，模拟双量子点与三量子点系统中纠缠激发子态的动力学行为。
• 应用时变微扰理论，分析在外部光学控制下系统的幺正演化。
• 利用外加磁场下少电子量子点中电子基态跃迁，调节与核自旋1/2杂质的超精细耦合。
• 设计一种量子开关，通过改变磁场控制核共振频率，实现电子-核相互作用的绝热调谐。
• 采用绝热门控协议，确保电子系统弛豫至新基态的同时不扰动核自旋量子比特，从而保持相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过光学控制在固态系统中生成最大纠缠的贝尔态与GHZ态？
• RQ2 能否通过全光学手段在耦合量子点阵列中实现激发子态的量子隐形传态？
• RQ3 能否利用量子点中的核自旋量子比特实现具有长退相干时间的容错量子逻辑门？
• RQ4 声子引起的退相干如何影响量子点中光驱动激发子态的相干性？
• RQ5 能否通过调控电子基态跃迁，利用外部磁场调节量子点中的核磁共振频率？

主要发现

• 通过选择性光脉冲可在耦合量子点中生成最大纠缠的贝尔态与GHZ态，保真度取决于脉冲持续时间与强度。
• 所提出的方案可在固态量子点阵列中实现全光学的激发子态量子隐形传态。
• 只要门控时间足够长于能级劈裂的倒数，声子引起的退相干并不一定破坏系统的相干性。
• 门控时间 τg 的下限估计约为 ~1 ps，退相干时间 τdec ≈ 10^9 τg，支持容错量子计算。
• 在退相干发生前可执行的操作数估计约为 ~10^9，超过容错量子误差纠正所需的 10^4–10^5 阈值。
• 基于NMR的量子开关系通过磁场变化实现超精细耦合的绝热调谐，可执行单量子比特旋转与C-NOT门，且电子弛豫与核自旋相干性相容。