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。

这项研究的最终目的是使用被困在半导体量子点中的单电子旋转来实施量子传送（QT）。 QT是一种量子算法，将输入量子置量位的状态转移到远程位置，可用于各种算法，例如门传送和单向量子计算。因此，量子传送是在各种物理系统中实现的，并且是代表量子信息技术进步的测试石。量子传送需要2位操作，在半导体量子点电子自旋量子置量置量置量量子系统中，使用Heisenberg-type交换相互作用在电子旋转之间实现了2位操作。但是，交换相互作用取决于电性能，例如量子点和隧道耦合之间的能量差异，因此受电荷噪声的影响。结果，相互作用的大小是在发抖，两位操作的保真度降低了。相反，我们通过使用FPGA使用动态门电压控制来成功降低电荷噪声的效果。结果，观察到两位操作期间相干时间的延长。这表明对2位操作的保真度提高了。此外，当检查了噪声的功率频谱密度时，可以抑制低频噪声。该方法还可以应用于实施更复杂的量子算法，并有望将来在大规模量子计算中有用。

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）