[论文解读] Supercoherent Quantum Bits

David F. Bacon, Kenton R. Brown+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2000

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出一种利用仅含两体相互作用的四量子比特哈密顿量构造的超相干量子比特系统，其基态具有二重简并。通过使局部退相干在能量上代价高昂，该系统可在低温下保护量子信息，从而在诸如量子点量子计算机等架构中实现稳健且通用的量子操作。

ABSTRACT

Real quantum systems couple to their environment and lose their intrinsic quantum nature through the process known as decoherence. Here we present a method for minimizing decoherence by making it energetically unfavorable. We present a Hamiltonian made up solely of two-body interactions between four two-level systems (qubits) which has a two-fold degenerate ground state. This degenerate ground state has the property that any decoherence process acting on an individual physical qubit must supply energy from the bath to the system. Quantum information can be encoded into the degeneracy of the ground state and such coherence-preserving qubits will then be robust to local decoherence at low bath temperatures. We show how this quantum information can be universally manipulated and indicate how this approach may be applied to a quantum dot quantum computer.

研究动机与目标

• 为解决真实量子系统中退相干的根本挑战，该挑战限制了量子信息的保持。
• 开发一种局部退相干过程在能量上不占优势的量子系统，从而增强退相干保护。
• 通过基态简并编码量子信息，实现对局部环境相互作用的内在鲁棒性。
• 证明可在保持相干性的同时，对这种受保护的量子比特执行通用量子门操作。
• 探索该方法在可扩展量子计算平台（如量子点系统）中实现的可行性。

提出的方法

• 设计一个仅由四个两能级系统（量子比特）之间两体相互作用组成的哈密顿量，确保仅存在局部相互作用。
• 设计哈密顿量使其具有二重简并基态，从而在简并子空间中编码逻辑量子比特。
• 利用能量守恒，使任何局部退相干过程都必须从热库中获取能量，因此在低温下被抑制。
• 利用简并基态作为对局部扰动和退相干具有鲁棒性的逻辑量子比特空间。
• 通过控制哈密顿量中的两体相互作用，证明可实现通用量子门。
• 提出一种基于量子点的物理实现路径，通过隧穿和库仑耦合工程实现所需的两体相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构造一个多体哈密顿量，使得局部退相干在能量上被禁止？
• RQ2 如何通过基态简并编码量子信息，以实现对局部噪声的内在保护？
• RQ3 温度在抑制此类系统中退相干方面起什么作用？
• RQ4 能否仅通过局部操作在该受保护的量子比特上实现通用量子门？
• RQ5 该方法是否可在可扩展的量子计算架构（如量子点）中实现？

主要发现

• 所提出的仅含四量子比特之间两体相互作用的哈密顿量实现了二重简并基态，从而能够稳健地编码量子信息。
• 任何作用于单个物理量子比特的局部退相干过程都必须从热库中获取能量，因此在低温下此类过程极不可能发生。
• 简并基态提供了一个受保护的逻辑量子比特，对局部环境相互作用具有内在的鲁棒性。
• 通过操控哈密顿量中的两体相互作用，可在该编码量子比特上实现通用量子计算。
• 该方案与量子点架构兼容，表明其为实现可扩展、抗退相干的量子计算提供了可行路径。
• 退相干的能量代价确保了系统在低温下保持相干，显著延长了量子相干时间。