[论文解读] Quantum information processing using electron spins and cavity-qed

Ataç Îmamoğlu, David P. DiVincenzo+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 1999

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于量子点中电子自旋的固态量子计算架构，通过高精细度微腔耦合，实现远距离、相干的自旋-自旋相互作用。利用激光驱动的拉曼跃迁和腔量子电动力学，该方案可实现通用的单量子比特旋转和受控-not门操作，并可通过光学手段测量单个自旋态。

ABSTRACT

The electronic spin degrees of freedom in semiconductors typically have decoherence times that are several orders of magnitude longer than other relevant timescales. A solid-state quantum computer based on localized electron spins as qubits is therefore of potential interest. Here, a scheme that realizes controlled interactions between two distant quantum dot spins is proposed. The effective long-range interaction is mediated by the vacuum field of a high finesse microcavity. By using conduction-band-hole Raman transitions induced by classical laser fields and the cavity-mode, arbitrary single qubit rotations and controlled-not operations can be realized. Optical techniques can also be used to measure the spin-state of each quantum dot.

研究动机与目标

• 开发一种基于量子点中局域电子自旋作为长寿命量子比特的可扩展固态量子计算平台。
• 克服在固态系统中对空间分离的自旋实现受控两量子比特操作的挑战。
• 利用高精细度微腔的真空场作为媒介，实现远距离自旋-自旋相互作用。
• 通过经典激光场和腔模的光学控制，实现通用量子门操作——单量子比特旋转和受控-not门。
• 通过光学技术实现对每个量子点中单个电子自旋态的投影测量。

提出的方法

• 利用经典激光场和腔模光子驱动的量子点中导带-重空穴拉曼跃迁。
• 采用腔量子电动力学（cavity-QED）通过真空场涨落介导远距离电子自旋之间的有效长程相互作用。
• 通过自旋分裂的基态和类空穴激发态构建每个量子点中的两能级系统，以定义量子比特子空间。
• 应用激光场相干驱动自旋态之间的拉曼跃迁，实现任意单量子比特旋转。
• 利用腔模介导两个远距离量子点之间的纠缠相互作用，通过工程化自旋-光子耦合实现受控-not门。
• 通过监测腔输出场实现光学探测，以测量每个量子点的最终自旋态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在固态系统中通过腔-QED实现远距离、相干的自旋-自旋相互作用，而无需直接的自旋-自旋耦合？
• RQ2 是否可行通过激光驱动的拉曼跃迁在量子点电子自旋上实现通用单量子比特旋转？
• RQ3 能否利用腔介导的相互作用在两个远距离电子自旋之间实现受控-not门？
• RQ4 能否通过光学技术以高保真度测量每个量子点的自旋态？
• RQ5 为实现该架构中的容错门操作，对腔的精细度和激光控制有何要求？

主要发现

• 该方案通过高精细度微腔的真空场涨落实现了远距离、相干的自旋-自旋相互作用，克服了直接自旋耦合的挑战。
• 通过涉及腔模的激光驱动拉曼跃迁，可在量子点电子自旋上实现任意单量子比特旋转。
• 通过腔介导的相互作用，可在两个远距离量子点自旋之间实现受控-not门操作，从而实现通用量子计算。
• 通过探测腔输出场，可实现对单个电子自旋态的光学测量，支持投影测量。
• 该方法利用了半导体中电子自旋的长退相干时间，使其成为可扩展量子信息处理的有前途候选方案。
• 利用经典激光场和腔-QED提供了可扩展且可集成的固态量子计算平台。