[论文解读] Quantum spin transistors in superconducting circuits

Niels Jakob Søe Loft, Lasse Bjørn Kristensen+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于四个任意子量子比特与海森堡相互作用的超导量子自旋晶体管，通过两个控制量子比特实现完美态传输或阻塞。该器件利用本征动力学实现最小化外部控制，在真实退相干条件下仍能实现高保真度操作，展示了适用于模块化量子计算的可扩展、高性能量子晶体管设计。

ABSTRACT

Transistors play a vital role in classical computers, and their quantum mechanical counterparts could potentially be as important in quantum computers. Where a classical transistor is operated as a switch that either blocks or allows an electric current, the quantum transistor should operate on quantum information. In terms of a spin model the in-going quantum information is an arbitrary qubit state (spin-1/2 state). In this paper, we derive a model of four qubits with Heisenberg interactions that works as a quantum spin transistor, i.e. a system with perfect state transfer or perfect blockade depending on the state of two gate qubits. When the system is initialized the dynamics complete the gate operation, hence our protocol requires minimal external control. We propose a concrete implementation of the model using state-of-the-art superconducting circuits. Finally, we demonstrate that our proposal operates with high-fidelity under realistic decoherence.

研究动机与目标

• 设计一种作为量子信息开关的量子晶体管，类似于经典晶体管，但作用于量子比特态。
• 实现具有海森堡XXZ相互作用的四量子比特系统，根据控制量子比特的状态实现完美态传输或完美阻塞。
• 利用最先进的超导电路技术，特别是任意子量子比特，实现该器件，以确保可扩展性与现有量子计算平台的兼容性。
• 在真实退相干和串扰效应下展示高保真度操作，确保其在量子网络中的实际可行性。
• 通过依赖本征动力学而非外部控制，最小化外部控制，实现在初始化后实现自主门操作。

提出的方法

• 系统建模为四个自旋-1/2粒子，具有海森堡XX和XXZ型相互作用，其中两个中心量子比特作为控制量子比特，调控左右量子比特的动力学。
• 哈密顿量源自具有任意子量子比特通过谐振器和电感耦合的超导电路，电容性和约瑟夫森结耦合产生所需的自旋相互作用。
• 关键耦合强度通过电路参数计算得出：$ J_x $ 来自电容性和电感性耦合，$ J_z $ 来自二阶约瑟夫森项，$ J_4 $ 为远距离量子比特间的串扰项。
• 控制量子比特频率 $ heta $ 和失谐 $ riangle $ 从电路的能量尺度推导得出，确保适当的能级分裂以实现控制功能。
• 通过增加电容 $ C_J $ 和 $ C_R $ 抑制串扰耦合 $ J_4 $，使其强度小于 $ J_z $ 的1%，从而实现高保真度阻塞。
• 数值模拟在理想、真实电路和噪声条件下验证了该器件性能，使用通用输入态 $ | ho angle = ( vert\rightarrow\rangle + r e^{i heta} vert\rightarrow\rangle)/\sqrt{1+r^2} $。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超导电路中，具有海森堡相互作用的四量子比特系统能否作为实现完美态传输或阻塞的量子晶体管？
• RQ2 如何通过最小化外部控制实现门控功能，转而依赖本征动力学和初始态制备？
• RQ3 需要哪些电路参数才能实现所需的海森堡相互作用并抑制有害的串扰耦合？
• RQ4 在真实退相干和噪声条件下，该设计在多大程度上保持高保真度操作？
• RQ5 该器件能否在现有超导量子比特平台（如任意子、Xmon或通量量子比特）上实现，以确保可扩展性和模块化？

主要发现

• 所提出的量子自旋晶体管根据两个控制量子比特的状态，可实现完美态传输或完美阻塞，理想情况下保真度趋近于1。
• 在真实电路参数下，态传输保真度仍保持较高水平，模拟结果表明即使在引入噪声和串扰时仍具鲁棒性。
• 通过增加电容 $ C_J $ 和 $ C_R $，串扰耦合 $ J_4 $ 被抑制至小于 $ J_z $ 的1%，从而实现高保真度有效阻塞。
• 控制量子比特频率 $ heta $ 和失谐 $ riangle $ 从电路参数中解析推导得出，可实现对所需操作的精确调谐。
• 系统在初始化后可自主运行，门操作期间无需主动控制，从而提升稳定性和可扩展性。
• 该设计与多种超导量子比特类型兼容，包括任意子、Xmon、磁通量子比特和通量onium，具备广泛的实现潜力。