Kietoutumisresurssin tutkiminen Si-kvanttipistejärjestelmissä operatiivisella kvasitodennäköisyydellä

Aikaleima: 6. lokakuuta 2022, klo 8
Lähdesolmu: 1719787

Junghee Ryu ja Hoon Ryu

Division of National Supercomputing, Korea Institute of Science and Technology Information, Daejeon 34141, Korean tasavalta

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Luonnehdimme varausäänille herkkien realististen kahden kubitin signaalien kvanttisekoittumista. Toimintaesimerkkimme on DQD (Silicon double quantum dot) -alustalla generoitu aikavaste, jossa yhden kubitin kierto ja kahden kubitin ohjattu-NOT-toiminto suoritetaan peräkkäin ajassa mielivaltaisten sotkeutuneiden tilojen luomiseksi. Kahden kubitin tilojen kietoutumisen karakterisoimiseksi käytämme marginaalioperatiivisen kvasitodennäköisyyden (OQ) lähestymistapaa, joka sallii todennäköisyysfunktion negatiiviset arvot, jos tietty tila on kietoutunut. Vaikka puolijohdelaitteessa kaikkialla esiintyvä varauskohina vaikuttaa vakavasti DQD-alustalla toteutettuihin logiikkatoimintoihin aiheuttaen valtavaa unitaaristen operaatioiden tarkkuuden heikkenemistä sekä tuloksena olevia kahden kubitin tiloja, OQ-ohjatun kietoutumisvoimakkuuden kuvio muuttuu. olla varsin invariantti, mikä osoittaa, että kvanttiketutumisen resurssi ei ole merkittävästi rikki, vaikka fyysinen järjestelmä on alttiina melun aiheuttamille vaihteluille kvanttipisteiden välisessä vuorovaikutuksessa.

Suosittu yhteenveto

Luonnehdimme kahden kvanttibitin (qubits) tilan kietoutumista, jotka generoidaan realistisen kokoisessa pii (Si) kaksoiskvanttipiste (DQD) -alustassa. Satunnaisille kahden kubitin tiloille, jotka tuotetaan suorittamalla yksi kubitin kierto, jota seuraa ohjattu X-operaatio, käytämme marginaalista toiminnallista kvasitodennäköisyyttä (OQ) kvantifioidaksemme suoraan niiden takertumisresurssin. Tässä osoitetaan, että marginaalinen OQ-funktio, joka voidaan konstruoida pelkästään suoraan mitattavissa olevilla operaattoreilla, voi toimia vankana kvanttiketutumisen indikaattorina, vaikka tietty tila on liian paljon varauskohinaa kontaminoitunut, koska se luonnehtii takertumisvoimakkuutta kohtuullisella tarkkuudella. ja alhaisemmat laskentakustannukset verrattuna hyvin tunnettuun negatiivisuusmenetelmään, joka sisältää täyden tilatomografiaprosessin. Tutkimme myös, kuinka puolijohdelaitteessa kaikkialla esiintyvät varausäänet vaikuttavat kahden kubitin tiloihin Si DQD-järjestelmässä. Vaikka näemmekin, että melu aiheuttaa valtavan äänenlaadun heikkenemisen, sen vaikutus sotkeutumisresurssiin osoittautuu paljon heikommaksi, joten yli 70 % resurssista voidaan säilyttää maksimaalisesti sotkeutuneissa Bell-tiloissa jopa voimakkaasti meluisissa olosuhteissa, joissa tilatarkkuus laskee. noin 20 %:iin.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] Ryszard Horodecki, Paweł Horodecki, Michał Horodecki ja Karol Horodecki. "Kvanttikietoutuminen". Rev. Mod. Phys. 81, 865–942 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865

[2] Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Stefano Pironio, Valerio Scarani ja Stephanie Wehner. "Kellon epäpaikallisuus". Rev. Mod. Phys. 86, 419–478 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.419

[3] Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jozsa, Asher Peres ja William K. Wootters. "Tuntemattoman kvanttitilan teleportointi kahden klassisen ja Einstein-podolsky-rosen-kanavan kautta". Phys. Rev. Lett. 70, 1895-1899 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.70.1895

[4] PW Shor. "Kvanttilaskennan algoritmit: diskreetit logaritmit ja laskenta". Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. Sivut 124-134. (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[5] Changhyoup Lee, Benjamin Lawrie, Raphael Pooser, Kwang-Geol Lee, Carsten Rockstuhl ja Mark Tame. "Kvanttiplasmoniset anturit". Chemical Reviews 121, 4743–4804 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.chemrev.0c01028

[6] Frank Arute, Kunal Arya ja Ryan Babbush ${et}$ ${al}$. "Kvanttiylivalta ohjelmoitavalla suprajohtavalla prosessorilla". Nature 574, 505–510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[7] Gary J. Mooney, Charles D. Hill ja Lloyd CL Hollenberg. "Setangleation 20 qubit suprajohtavassa kvanttitietokoneessa". Scientific Reports 9, 13465 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-49805-7

[8] I. Pogorelov, T. Feldker, Ch. D. Marciniak, L. Postler, G. Jacob, O. Krieglsteiner, V. Podlesnic, M. Meth, V. Negnevitsky, M. Stadler, B. Höfer, C. Wächter, K. Lakhmanskiy, R. Blatt, P. Schindler ja T. Monz. "Compact ion-trap kvanttilaskenta demonstraattori". PRX Quantum 2, 020343 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020343

[9] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright ja C. Monroe. "Esittely pienestä ohjelmoitavasta kvanttitietokoneesta atomikubiteilla". Nature 536, 63–66 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18648

[10] K. Wright, KM Beck, S. Debnath, JM Amini, Y. Nam, N. Grzesiak, JS Chen, NC Pisenti, M. Chmielewski, C. Collins, KM Hudek, J. Mizrahi, JD Wong-Campos, S. Allen, J. Apisdorf, P. Solomon, M. Williams, AM Ducore, A. Blinov, SM Kreikemeier, V. Chaplin, M. Keesan, C. Monroe ja J. Kim. "11-kubitin kvanttitietokoneen benchmarking". Nature Communications 10, 5464 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-13534-2

[11] TF Watson, SGJ Philips, E. Kawakami, DR Ward, P. Scarlino, M. Veldhorst, DE Savage, MG Lagally, Mark Friesen, SN Coppersmith, MA Eriksson ja LMK Vandersypen. "Ohjelmoitava kahden kubitin kvanttiprosessori piissä". Nature 555, 633–637 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature25766

[12] M. Steger, K. Saeedi, MLW Thewalt, JJL Morton, H. Riemann, NV Abrosimov, P. Becker ja H.-J. Pohl. "Kvanttitiedon tallennus yli 180 sekunniksi käyttämällä luovutuskierroksia ${}^{28}$SI "puolijohdetyhjiössä"". Science 336, 1280–1283 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1217635

[13] Aleksei M. Tyryshkin, Shinichi Tojo, John JL Morton, Helge Riemann, Nikolai V. Abrosimov, Peter Becker, Hans-Joachim Pohl, Thomas Schenkel, Michael LW Thewalt, Kohei M. Itoh ja SA Lyon. "Elektronin pyörimiskoherenssi ylittää sekunteja erittäin puhtaassa piissä". Nature Materials 11, 143–147 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nmat3182

[14] M. Veldhorst, JCC Hwang, CH Yang, AW Leenstra, B. de Ronde, JP Dehollain, JT Muhonen, FE Hudson, KM Itoh, A. Morello ja AS Dzurak. "Osoitteellinen kvanttipistekubitti, jolla on vikasietoinen ohjaustarkkuus". Nature Nanotechnology 9, 981–985 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nnano.2014.216

[15] M. Veldhorst, CH Yang, JCC Hwang, W. Huang, JP Dehollain, JT Muhonen, S. Simmons, A. Laucht, FE Hudson, KM Itoh, A. Morello ja AS Dzurak. "Kahden qubitin logiikkaportti piissä". Nature 526, 410–414 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[16] DM Zajac, AJ Sigillito, M. Russ, F. Borjans, JM Taylor, G. Burkard ja JR Petta. "Resonanssiohjattu cnot-portti elektronien spinille". Science 359, 439–442 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao5965

[17] Otfried Gühne ja Géza Tóth. "Ketkeytymisen havaitseminen". Physics Reports 474, 1–75 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004

[18] E. Wigner. "Kvanttikorjauksesta termodynaamiseen tasapainoon". Phys. Rev. 40, 749–759 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.40.749

[19] K. Husimi. "Joitakin tiheysmatriisin muodollisia ominaisuuksia". Proceedings of Physico-Mathematical Society of Japan. 3. sarja 22, 264–314 (1940).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[20] Roy J. Glauber. "Säteilykentän koherentit ja epäkoherentit tilat". Phys. Rev. 131, 2766–2788 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[21] EKG Sudarshan. "Tilastollisten valonsäteiden puoliklassisten ja kvanttimekaanisten kuvausten vastaavuus". Phys. Rev. Lett. 10, 277-279 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[22] KE Cahill ja RJ Glauber. "Tiheysoperaattorit ja kvasitodennäköisyysjakaumat". Phys. Rev. 177, 1882–1902 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.177.1882

[23] Christopher Ferrie. "Kvanttiteorian kvasitodennäköisyysesitykset kvanttitietotieteen sovelluksilla". Reports on Progress in Physics 74, 116001 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​74/​11/​116001

[24] Jiyong Park, Junhua Zhang, Jaehak Lee, Se-Wan Ji, Mark Um, Dingshun Lv, Kihwan Kim ja Hyunchul Nha. "Ei-klassismin ja ei-gaussisuuden testaus vaiheavaruudessa". Phys. Rev. Lett. 114, 190402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.190402

[25] J. Sperling ja IA Walmsley. "Kvanttikoherenssin kvasitodennäköisyysesitys". Phys. Rev. A 97, 062327 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.062327

[26] J Sperling ja W Vogel. "Kvaasitodennäköisyysjakaumat kvanttioptiselle koherenssille ja sen ulkopuolelle". Physica Scripta 95, 034007 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1402-4896 / ab5501

[27] Martin Bohmann, Elizabeth Agudelo ja Jan Sperling. "Epäklassismin tutkiminen vaihe-avaruusjakaumien matriiseilla". Quantum 4, 343 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-15-343

[28] Jiyong Park, Jaehak Lee, Kyunghyun Baek ja Hyunchul Nha. "Kvanttitilan ei-gaussisuuden kvantifiointi kvadratuurijakaumien negatiivisen entropian avulla". Phys. Rev. A 104, 032415 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032415

[29] Junghee Ryu, James Lim, Sunghyuk Hong ja Jinhyoung Lee. "Kvadittien operatiiviset kvasitodennäköisyydet". Phys. Rev. A 88, 052123 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.052123

[30] Jeongwoo Jae, Junghee Ryu ja Jinhyoung Lee. "Jatkuvien muuttujien operatiiviset kvasitodennäköisyydet". Phys. Rev. A 96, 042121 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.042121

[31] Junghee Ryu, Sunghyuk Hong, Joong-Sung Lee, Kang Hee Seol, Jeongwoo Jae, James Lim, Jiwon Lee, Kwang-Geol Lee ja Jinhyoung Lee. "Optinen koe negatiivisen todennäköisyyden testaamiseksi kvanttimittauksen valinnan yhteydessä". Scientific Reports 9, 19021 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-53121-5

[32] Ji-Hoon Kang, Junghee Ryu ja Hoon Ryu. "Elektrodiohjattujen si-kvanttipistejärjestelmien käyttäytymisen tutkiminen: varausohjauksesta qubit-toimintoihin". Nanoscale 13, 332–339 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1039/​D0NR05070A

[33] Hoon Ryu ja Ji-Hoon Kang. "Piilaitteiden, joissa on bias-säätimiä, kietoutuvan logiikan häiritsevä meluohjattu epävakaus". Scientific Reports 12, 15200 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-19404-0

[34] Jing Wang, A. Rahman, A. Ghosh, G. Klimeck ja M. Lundstrom. "Parabolisen tehollisen massan approksimaation pätevyydestä piinanolankatransistorien ${I}$-${V}$ laskennassa". IEEE Transactions on Electron Devices 52, 1589–1595 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TED.2005.850945

[35] R. Neumann ja LR Schreiber. "Mikromagneettihajakentän dynamiikan simulointi spin-kubitin manipulointiin". Journal of Applied Physics 117, 193903 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +1.4921291

[36] Maximilian Russ, DM Zajac, AJ Sigillito, F. Borjans, JM Taylor, JR Petta ja Guido Burkard. "High-fidelity kvanttiportit si/sige kaksoiskvanttipisteissä". Phys. Rev. B 97, 085421 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.97.085421

[37] E. Paladino, YM Galperin, G. Falci ja BL Altshuler. "${1}/​{f}$ noise: vaikutukset solid-state kvanttitietoihin". Rev. Mod. Phys. 86, 361–418 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.361

Viitattu

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal