半導体量子ドット系における電子スピンを用いた量子テレポーテーションの実装

在半导体量子点系统中利用电子自旋实现量子隐形传态

• 批准号: 20J12862
• 负责人: 小嶋 洋平
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J12862/
• 关键词: 量子ドット; 量子情報; 量子ビット; 電子スピン; 電子スピン量子ビット

本研究では半導体量子ドット中に閉じ込めた単一電子スピンを量子ビットとして用いた量子テレポーテーション（QT）の実装が最終目標である。QT とは入力量子ビットの状態を遠隔地に転送する量子アルゴリズムで、ゲートテレポーテーションや一方向量子計算など様々なアルゴリズムに転用可能である。そのため量子テレポーテーションは様々な物理系で実現されており、量子情報技術の進捗を表す試金石となっている。量子テレポーテーションでは2ビット操作が必要であり、半導体量子ドット電子スピン量子ビット系では電子スピン同士のハイゼンベルグ型の交換相互作用を用いて2ビット操作を実現する。しかし交換相互作用は量子ドット間のエネルギー差やトンネル結合といった電気的な性質に依存するため、電荷ノイズの影響を受ける。その結果、相互作用の大きさが揺動し2ビット操作の忠実度が低下するという問題があった。これに対し我々はFPGAを用いたゲート電圧の動的な制御を用いることで電荷ノイズの影響を低減することに成功した。その結果2ビット操作中のコヒーレンス時間の延長を観測した。これは2ビット操作の忠実度が向上したことを示している。またノイズのパワースペクトル密度を調べたところ、低周波ノイズが抑制されていることを確認した。この手法はより複雑な量子アルゴリズムを実装する際にも応用することができ、将来的に大規模量子計算においても有用であることが期待される。

这项研究的最终目标是利用半导体量子点中限制的单个电子自旋作为量子比特来实现量子隐形传态（QT）。 QT 是一种将输入量子位的状态传输到远程位置的量子算法，可应用于门隐形传态和单向量子计算等各种算法。因此，量子隐形传态已经在各种物理系统中实现，成为量子信息技术进步的试金石。量子隐形传态需要2位运算，半导体量子点电子自旋量子位系统利用电子自旋之间的海森堡型交换相互作用来实现2位运算。然而，由于交换相互作用取决于量子点之间的能量差和隧道耦合等电特性，因此它们会受到电荷噪声的影响。结果，存在相互作用的幅度波动以及2位运算的保真度下降的问题。另一方面，我们通过使用 FPGA 进行动态栅极电压控制，成功地降低了电荷噪声的影响。结果，我们观察到 2 位操作期间相干时间增加。这表明2位运算的保真度有所提高。此外，当我们检查噪声的功率谱密度时，我们确认低频噪声得到了抑制。该方法还可以应用于实现更复杂的量子算法，并有望在未来的大规模量子计算中发挥作用。

项目成果

Ruhr-University(ドイツ)

鲁尔大学（德国）

Probabilistic teleportation of a quantum dot spin qubit

量子点自旋量子位的概率隐形传态

• DOI: 10.1038/s41534-021-00403-4
• 发表时间: 2021
• 期刊: npj Quantum Information
• 影响因子: 7.6
• 作者: Y. Kojima;T. Nakajima;A. Noiri;J. Yoneda;T. Otsuka;K. Takeda;S. Li;S. D. Bartlett;A. Ludwig;A. D. Wieck and S. Tarucha
• 通讯作者: A. D. Wieck and S. Tarucha

Active suppression of low-frequency noise in exchange interaction between single-electron spin qubits

单电子自旋量子位之间交换相互作用中低频噪声的主动抑制

• 发表时间: 2022
• 作者: Natsumi Takei;Yuki Takada;Shohei Kawamura;Keisuke Sato;Atsushi Saitoh;Jenny Bormann;Wai Shan Yuen;John Carroll;Tomoya Kotani;Yohei Kojima
• 通讯作者: Yohei Kojima

University of Sydney(オーストラリア)

悉尼大学（澳大利亚）