We propose an implementation of a universal set of one- and two-quantum-bit gates for quantum computation using the spin states of coupled single-electron quantum dots. Desired operations are effected by the gating of the tunneling barrier between neighboring dots. Several measures of the gate quality are computed within a recently derived spin master equation incorporating decoherence caused by a prototypical magnetic environment. Dot-array experiments that would provide an initial demonstration of the desired nonequilibrium spin dynamics are proposed.

Entanglement purification protocols (EPPs) and quantum error-correcting codes (QECCs) provide two ways of protecting quantum states from interaction with the environment. In an EPP, perfectly entangled pure states are extracted, with some yield D, from a mixed state M shared by two parties; with a QECC, an arbitrary quantum state |\ensuremath{\xi}〉 can be transmitted at some rate Q through a noisy channel \ensuremath{\chi} without degradation. We prove that an EPP involving one-way classical communication and acting on mixed state M^(\ensuremath{\chi}) (obtained by sharing halves of Einstein-Podolsky-Rosen pairs through a channel \ensuremath{\chi}) yields a QECC on \ensuremath{\chi} with rate Q=D, and vice versa. We compare the amount of entanglement E(M) required to prepare a mixed state M by local actions with the amounts ${\mathit{D}}_{1}$(M) and ${\mathit{D}}_{2}$(M) that can be locally distilled from it by EPPs using one- and two-way classical communication, respectively, and give an exact expression for E(M) when M is Bell diagonal. While EPPs require classical communication, QECCs do not, and we prove Q is not increased by adding one-way classical communication. However, both D and Q can be increased by adding two-way communication. We show that certain noisy quantum channels, for example a 50% depolarizing channel, can be used for reliable transmission of quantum states if two-way communication is available, but cannot be used if only one-way communication is available. We exhibit a family of codes based on universal hashing able to achieve an asymptotic Q (or D) of 1-S for simple noise models, where S is the error entropy. We also obtain a specific, simple 5-bit single-error-correcting quantum block code. We prove that iff a QECC results in high fidelity for the case of no error then the QECC can be recast into a form where the encoder is the matrix inverse of the decoder. \textcopyright{} 1996 The American Physical Society.

We show that a set of gates that consists of all one-bit quantum gates (U(2)) and the two-bit exclusive-or gate (that maps Boolean values $(x,y)$ to $(x,x \oplus y)$) is universal in the sense that all unitary operations on arbitrarily many bits $n$ (U($2^n$)) can be expressed as compositions of these gates. We investigate the number of the above gates required to implement other gates, such as generalized Deutsch-Toffoli gates, that apply a specific U(2) transformation to one input bit if and only if the logical AND of all remaining input bits is satisfied. These gates play a central role in many proposed constructions of quantum computational networks. We derive upper and lower bounds on the exact number of elementary gates required to build up a variety of two-and three-bit quantum gates, the asymptotic number required for $n$-bit Deutsch-Toffoli gates, and make some observations about the number required for arbitrary $n$-bit unitary operations.

After a brief introduction to the principles and promise of quantum information processing, the requirements for the physical implementation of quantum computation are discussed. These five requirements, plus two relating to the communication of quantum information, are extensively explored and related to the many schemes in atomic physics, quantum optics, nuclear and electron magnetic resonance spectroscopy, superconducting electronics, and quantum-dot physics, for achieving quantum computing.

The electronic spin degrees of freedom in semiconductors typically have decoherence times that are several orders of magnitude longer than other relevant time scales. A solid-state quantum computer based on localized electron spins as qubits is therefore of potential interest. Here, a scheme that realizes controlled interactions between two distant quantum dot spins is proposed. The effective long-range interaction is mediated by the vacuum field of a high finesse microcavity. By using conduction-band-hole Raman transitions induced by classical laser fields and the cavity-mode, parallel controlled-not operations, and arbitrary single qubit rotations can be realized.

If the bits of computers are someday scaled down to the size of individual atoms, quantum mechanical effects may profoundly change the nature of computation itself. The wave function of such a quantum computer could consist of a superposition of many computations carried out simultaneously; this kind of parallelism could be exploited to make some important computational problems, like the prime factoring of large integers, tractable. However, building such a quantum computer would place undreamed of demands on the experimental realization of highly quantum-coherent systems; present-day experimental capabilities in atomic physics and other fields permit only the most rudimentary implementation of quantum computation.

We consider a new quantum gate mechanism based on electron spins in coupled semiconductor quantum dots. Such gates provide a general source of spin entanglement and can be used for quantum computers. We determine the exchange coupling J in the effective Heisenberg model as a function of magnetic (B) and electric fields, and of the inter-dot distance (a) within the Heitler-London approximation of molecular physics. This result is refined by using sp-hybridization, and by the Hund-Mulliken molecular-orbit approach which leads to an extended Hubbard description for the two-dot system that shows a remarkable dependence on B and a due to the long-range Coulomb interaction. We find that the exchange J changes sign at a finite field (leading to a pronounced jump in the magnetization) and then decays exponentially. The magnetization and the spin susceptibilities of the coupled dots are calculated. We show that the dephasing due to nuclear spins in GaAs can be strongly suppressed by dynamical nuclear spin polarization and/or by magnetic fields.

We exhibit an orthogonal set of product states of two three-state particles that nevertheless cannot be reliably distinguished by a pair of separated observers ignorant of which of the states has been presented to them, even if the observers are allowed any sequence of local operations and classical communication between the separate observers. It is proved that there is a finite gap between the mutual information obtainable by a joint measurement on these states and a measurement in which only local actions are permitted. This result implies the existence of separable superoperators that cannot be implemented locally. A set of states are found involving three two-state particles that also appear to be nonmeasurable locally. These and other multipartite states are classified according to the entropy and entanglement costs of preparing and measuring them by local operations.

A proof is given, which relies on the commutator algebra of the unitary Lie groups, that quantum gates operating on just two bits at a time are sufficient to construct a general quantum circuit. The best previous result had shown the universality of three-bit gates, by analogy to the universality of the Toffoli three-bit gate of classical reversible computing. Two-bit quantum gates may be implemented by magnetic resonance operations applied to a pair of electronic or nuclear spins. A ``gearbox quantum computer'' proposed here, based on the principles of atomic-force microscopy, would permit the operation of such two-bit gates in a physical system with very long phase-breaking (i.e., quantum-phase-coherence) times. Simpler versions of the gearbox computer could be used to do experiments on Einstein-Podolsky-Rosen states and related entangled quantum states.