量子情報：シリコンにおける2量子ビット論理ゲート

量子計算には、忠実度の高い一般的な1量子ビット論理ゲートと2量子ビット論理ゲートと共に、スケーラブルなやり方で結合できる量子ビットが必要である。単一光子、捕獲イオン、超伝導回路、ダイヤモンドやシリコン中の単一欠陥や単一原子、半導体量子ドットなど、単一量子ビット忠実度がフォールトトレラントな量子計算に必要な厳しいしきい値を超える、多様な量子ビットが物理的に実現されている。それにもかかわらず、標準的なリソグラフィー技術を使って製造できる固体の高忠実度2量子ビットゲートは、半導体系では量子ビットの結合が難しく、位相緩和があるため、これまで超伝導量子ビットに限定されていた。本論文では、同位体濃縮シリコン中の単一スピンを使い、Loss–DiVincenzoの提案で想定されるように、交換相互作用を使って量子ドット系で単一量子ビットと2量子ビットの操作を行って実現される2量子ビット論理ゲートを示す。我々は、単一量子ビット操作と制御された位相の操作を組み合わせて、CNOTゲートを実現した。ゲート電圧を直接制御すると、2量子ビットの制御された位相ゲートに使われるスイッチングできる交換相互作用とともに、単一量子ビットのアドレス可能性が得られた。両方の量子ビットを独立して読み出すことで、CNOTゲートの2スピン確率に明瞭な反相関が測定された。

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