利用交换相互作用的通用量子计算

量子计算机架构的实验实现正在许多不同的物理环境中被研究。使量子计算在实验室中成为现实所必须满足的全部要求[1]令人望而生畏，涉及远超当前艺术水准的能力。在本报告中，我们发展了这些要求的一项显著简化，可应用于许多近期固态方案，包括使用量子点[2]、以及使用施主原子核自旋[3]或电子自旋[4]。在这些方案中，基本的两量子比特量子门由可调海森堡相互作用产生（自旋 i 与 j 之间的哈密顿量为 $H_{ij}=J(t){\vec S}_i\cdot{\vec S}_j$），而单量子比特门需要控制局域塞曼场。与海森堡操作相比，单量子比特操作显著更慢且需要实质上更大的材料与器件复杂度，这也可能有助于提高退相干率。在此我们引入一种显式方案，其中仅海森堡相互作用就足以精确实现任意量子计算机线路，代价是额外量子比特因子为三以及额外两量子比特操作约十倍。即便付出此代价，消除单量子比特操作的复杂度之能力应加速朝向这些固态量子计算实现的进展。