使用光學控電子的超快量子電腦

Ultrafast quantum computer uses optically controlled electrons
http://www.physorg.com/news106395871.html

August 15, 2007
By Lisa Zyga

科學家設計出一種方案（scheme），利用光脈來旋轉電子自旋（electron spins，這代表量子位元），創造出迄今最快的量子電腦。這項技術增進量子電腦的整體時脈速度，這可能是科學家所知速度最快、潛在上可擴展的（potentially scalable）量子運算方案。

史丹佛大學的 Susan Clark、Kai-Mei Fu 以及史丹佛大學與位於東京之國家資訊研究所的 Thaddeus Ladd 與 Yoshihisa Yamamoto 將他們在新方案上的研究發表在最新一期 Physical Review Letters 上。

"我們仍不知道量子電腦最後會變成什麼模樣，" Ladd 解釋道。"大規模的量子運算仍離實作還十分遙遠，而且將包含許多之前未曾想像過的新構想。在這篇論文中的重要進展是發現了現有理論性構想（利用相位閘 (phase gates) 來耦合非局部性自旋 (non-local spins)）的一種物理實作，並且評估其速度。"

在單一半導體晶片上，研究者結合了快速單一位元旋轉（fast single-bit rotations）與快速雙量子位元閘（fast two-qubit gates），二者都以光學控制。在量子運算中，方向（orientation）與電子自旋相位（phase）被
當成位元狀態，而這個閘則在輸入資料上，負責完成可逆的操作，以產生輸出資料。

這個半導體晶片大小是 1 mm 見方，並且由一圈凹洞（cavities，詳見原站圖說）所組成 -- 總的來說，這個裝置稱為「loop-qubus（環圈量子匯流排）」。每一個凹洞擁有一個量子點，那是一小塊半導體，在此方案中，那包含了單一一個電子。藉由將光脈衝聚焦到單一量子點，電子自旋會旋轉，改變位元的狀態。

此構造是建立在一個使用相位閘（phase gates）來耦合非局部性自旋的構想上。光脈衝可提供一種方法來耦合較遠的（distant）電子自旋，或量子位元，故某一個量子位元的相位可依賴另一個量子位元的相位。當耦合後，量子位元的自旋態會形成「量子匯流排（qu-bus）」，那是雙量子位元閘的基礎。

量子電腦的運作速度是由其時脈訊號來測定，時脈訊號可採用許多不同的形式。在光學控制方案中，脈衝，那可由雷射供應，提供該系統的時脈速度。Ladd 解釋量子電腦的速度有數種限制。

"在量子運算中，並非只有位元（0 或 1）的狀態是重要的，位元的相位也很重要，" 他說。"我們能多快控制量子位元的相位，在我們的方案中，是要靠磁場。增強磁場就能增加任何單一量子位元相位及時改變的速度，並且最終將達到我們能多快控制我們量子位元的限制。在這篇文章中我們給定的限制大約是 100 GHz，這假定了一個很強大的磁場，可能要超導體磁鐵才能辦到。"

"速度的第二項限制是某一量子位元從某一相位改變到另一個相位時所花的時間，" 他繼續說。"這必定要比光線在每一個光學凹洞移進移出的速度還要慢的脈衝才能辦到，所以這讓速度下降到 10 GHz。最後，當電腦愈來愈大，讓光線在整個系統內傳播所花掉的時間總數，也將限制其速度，可能讓物理性量子位元的速度降到跟傳統電腦差不多的 GHz。"

然而，Ladd 補充，這個被提出來架構，連同它迅速地物理性運作、非局部性耦合、整塊（monolithic）半導體實作的潛力，以及不依賴單一光源與偵測器，仍比其他量子運算方案要快，例如離子阱（ion traps）。

"與古典電腦相反，量子電腦十分依賴錯誤校正方案，" Clark 說，解釋運算一個量子電腦速度的複雜性。"用來校正錯誤的技術很可能會變得相當複雜；不管如何，一般來說，它們需要許多物理性量子位元以及量子位元運算，以代某種容錯的邏輯運算（也因此花更多時間）。物理性量子位元的操控速度，顯然使得電腦比它更快。適當的錯誤糾正可能讓量子電腦的速度降到 1-10 MHz。

除了速度之外，這個方案就其擴展性（scalability）與製造潛力來說仍有優勢。因為該系統可以在遠離的量子位元之間建立雙量子位元閘，這個方案較那些依賴毗鄰量子位元互動的系統更偏愛擴展性。此外，這個系統不需要讓兩個量子位元都有相同的頻率，這也與其他提議中，它大規模製造的潛力相符。

"就打造這一部電腦來說，我們的研究每一次都是前進一步，" Clark 說。"我們從將量子點量子位元置入凹洞開始、完成旋轉這些量子位元，接著透過量子匯流排耦合它們。不過一個完整的、可擴展的裝置，還要好多年才能辦到。"

※ 相關報導：

＊ Quantum Computers Based on Electron Spins Controlled by
Ultrafast Off-Resonant Single Optical Pulses
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e040501
Susan M. Clark, Kai-Mei C. Fu, Thaddeus D. Ladd, and Yoshihisa
Yamamoto
Phys. Rev. Lett. 99, 040501 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.040501

We describe a fast quantum computer based on optically controlled electron spins in charged quantum dots that are coupled to microcavities. This scheme uses broadband optical pulses to rotate electron spins and provide the clock signal to the system. Nonlocal two-qubit gates are performed by phase shifts induced by electron spins on laser pulses propagating along a shared waveguide. Numerical simulations of this scheme demonstrate high-fidelity single-qubit and two-qubit gates with operation times comparable to the inverse Zeeman frequency.

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