스핀 큐비트 양자 컴퓨터

스핀 큐비트 양자컴퓨터는 반도체 ^[1]소자의 전하 캐리어(전자와 전자공)의 스핀을 제어하는 양자컴퓨터다.최초의 스핀 큐비트 양자 컴퓨터는 다니엘 로스와 데이비드 P에 의해 처음 제안되었다. 1997년 ^[1]^[2]DiVincenzo, Loss-DiVicenzo 양자 ^{[citation needed]}컴퓨터라고도 합니다.제안서는 양자점에 갇힌 개별 전자의 고유 스핀-γ 자유도를 큐비트로 사용하는 것이었다.이것은 케인 양자 컴퓨터나 핵자기공명 양자 컴퓨터처럼 핵 스핀을 큐비트로 사용하는 다른 제안과 혼동되어서는 안 된다.

용 스핀 큐비트는 갈륨 비소,^[3]^[4] 실리콘^[5] 및 게르마늄과 ^[6]같은 반도체에서 2차원 전자 가스를 국소적으로 감소시킴으로써 구현되었습니다.스핀 큐비트는 그래핀에도 ^[7]구현되어 있습니다.

손실-디비첸조 제안

이중 양자점.각 전자 스핀_L S 또는_R S는 Loss-DiVincenzo 제안에서 하나의 양자 2-레벨 시스템 또는 스핀 큐비트를 정의합니다.두 점 사이의 좁은 게이트는 커플링을 변조하여 스왑 조작을 가능하게 합니다.

Loss-DiVicenzo 양자 컴퓨터 제안은 확장 가능한 양자 ^[8]컴퓨터에 대한 DiVincenzo의 기준을 충족시키기 위해 노력했다.

잘 정의된 큐비트 식별
신뢰할 수 있는 상태 준비
낮은 데코히렌스
정확한 양자 게이트 연산과
강력한 양자 측정.

이러한 양자컴퓨터의 후보는 횡방향 양자닷계이다.양자 컴퓨팅을 위한 양자 닷의 적용에 대한 이전 연구는 Barenco 등에 의해 수행되었습니다.^[9]

2비트 게이트의 실장

Loss-DiVincenzo 양자컴퓨터는 기본적으로 스왑 조작을 실시하기 위해 닷 간 게이트 전압을 사용하고 제어된 NOT 게이트(CNOT 게이트)를 구현하기 위해 로컬 자기장(또는 다른 로컬 스핀 조작)을 사용하여 작동합니다.

스왑 연산은 펄스 도트 간 게이트 전압을 적용하여 이루어지므로 하이젠버그 해밀턴의 교환 상수는 시간에 따라 달라집니다.

{\displaystyle H_{\rm {s}(t)=J(t)\mathbf {S}_{\rm {L}}\cdot \mathbf {S}_{\rm {R}}}}.

이 설명은 다음 경우에만 유효합니다.

양자점 $\Delta E$ E $(\displaystyle \Delta$ E $)$ 의 $\Delta E$ 레벨 간격이 $\;kT$ T $(\displaystyle$ \; $kT$ 보다 훨씬 크다.
펄스 시간 척도 $\tau _{\rm {s}}$ s $\tau _{\rm {s}}$ \ $tau _{\$ rm { $s}}$ 가 $\tau _{\rm {s}}$ $\hbar /\Delta E$ / $\hbar /\Delta E$ E {\ $displaystyle \hbar /\Delta$ E $\hbar /\Delta E$ 보다 크므로 더 높은 궤도 레벨로 이행할 시간이 없습니다.
데코히렌스 시간 $\Gamma ^{-1}$ - $\Gamma ^{-1}$ {\ $displaystyle \Gamma$ ^{- $1}}$ 이 $\Gamma ^{{-1}}$ (가) $\tau _{\rm {s}}.$ . ${\displaystyle \tau$ _ ${\rm {s}}$ 보다 깁니다. $}$

$(\displaystyle$ k $)$ 는 $k$ 볼츠만 상수, $T$ (\ $displaystyle$ T $)$ 는 $T$ 켈빈 단위 온도입니다.

펄스 해밀턴에서 시간 진화 연산자를 따라갑니다.

U_{\rm {s}}(t)=mathcal {T}\exp \left\{-i\int _{0}^{t}dt'H_{\rm {s}}(t')\right\

${\mathcal {T}}$ 서 T $(\$ 는 ${\mathcal {T}}$ 시간 순서 기호입니다.

J $displaystyle$ J $(t))$ 의 $J(t)$ $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ 이 J $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ ( $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ 2 $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ {\ $rm {s$ $}$ $=$ \ $pi$ { $pmod$ { 2 $\pi$ }, $U_{\rm {s}}$ 디스플레이 { $display style }$ 이 $U_{\rm {s}}$ $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ 펄스의 특정 지속시간을 선택할 수 $있습니다.$ $U_{\rm {s}}(J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi )\equiv U_{\rm {sw}}.$ $}$

이 펄스는 ( $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi /2$ 0 $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi /2$ $=$ / 2 $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi /2$ (\ $displaystyle J_$ {0 $}\tau$ _ ${\$ $rm$ {s}}=\ $pi /2$ 의 경우)의 $U_{\rm {sw}}^{1/2}.$ 동안 실행됩니다. $U_{\rm {sw}}^{1/2}.$ (\ $display style$ { $}}^2).$ $}$

"XOR" 게이트는 $U_{\rm {sw}}^{1/2}$ 의 1/ $({$ U_ ${\rm$ {sw $}}^{/2}})$ 연산을 $U_{\rm {sw}}^{1/2}$ 개별 스핀 회전 연산과 결합하여 $U_{\rm {sw}}^{1/2}$ 할 수 있습니다.

U_{\rm {X}OR}}=e^{i{\frac{pi}{2}}S_{\rm{L}^{z}}e^{-i{\frac{pi}{2}}S_{\rm{R}^{z}}}U_{\rm {sw}}^{1/2}e^{i\pi S_{\rm {L}}^{z}}U_{\rm {sw}}^{1/2}.

$U_{\rm {XOR}}$ X $U_{\rm {XOR}}$ {\ $displaystyle U_{\rm {X$ }OR $}}$ 연산자는 $U_{\rm {XOR}}$ S $\mathbf {S} _{\rm {L}}+\mathbf {S} _{\rm {R}}$ + $\mathbf {S} _{\rm {L}}+\mathbf {S} _{\rm {R}}$ R $\mathbf {S} _{\rm {L}}+\mathbf {S} _{\rm {R}}$ {\ $displaystyle \mathbf {S} _{\rm {L}}+\mathbf {S}$ _ ${\rm {R$ ^[2]^{: 4}에 $\mathbf {S} _{\rm {L}}+\mathbf {S} _{\rm {R}}$ 한 상태에 대한 조건부 위상 편이(제어-Z)로, 원하는 쿼드 비트를 사용하여 CNOT 게이트로 만들 수 $있습니다$ .

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

델프트 공과대학의 QuantumInspire 온라인 플랫폼은 2개의 실리콘 스핀 큐비트 프로세서의 "Spin-2" 상에서 양자 알고리즘을 구축하고 실행할 수 있습니다.

[:0-1] Vandersypen, Lieven M. K.; Eriksson, Mark A. (2019-08-01). "Quantum computing with semiconductor spins". Physics Today. 72 (8): 38. Bibcode:2019PhT....72h..38V. doi:10.1063/PT.3.4270. ISSN 0031-9228. S2CID 201305644.

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[8] D. P. DiVincenzo, Mesoscopic Electron Transport, 시리즈 E: 응용과학, L. 편집.손, L. Kouwenhoven, G.쇤(Kluwer, Dordrecht, 1997), 1996년 12월 arXiv.org에 게재.

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