Menjelajahi keterjeratan sumber daya dalam sistem kuantum dot Si dengan pendekatan kuasiprobabilitas operasional

Stempel Waktu: 6 Oktober 2022 8:35
Node Sumber: 1719787

Jung Hee Ryu dan Hoon Ryu

Divisi Superkomputer Nasional, Institut Sains dan Teknologi Informasi Korea, Daejeon 34141, Republik Korea

Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.

Abstrak

Kami mencirikan keterikatan kuantum dari sinyal dua-qubit realistis yang peka terhadap kebisingan muatan. Contoh kerja kami adalah respons waktu yang dihasilkan dari platform double quantum dot (DQD) silikon, di mana rotasi qubit tunggal dan operasi NOT terkontrol dua qubit dilakukan secara berurutan dalam waktu untuk menghasilkan status terjerat arbitrer. Untuk mengkarakterisasi keterjeratan status dua-qubit, kami menggunakan pendekatan quasiprobability operasional marjinal (OQ) yang memungkinkan nilai negatif dari fungsi probabilitas jika status tertentu terjerat. Sementara kebisingan muatan, yang ada di mana-mana di perangkat semikonduktor, sangat memengaruhi operasi logika yang diterapkan di platform DQD, menyebabkan penurunan besar dalam kesetiaan operasi kesatuan serta menghasilkan status dua-qubit, pola dalam kekuatan keterikatan yang digerakkan oleh OQ ternyata menjadi cukup invarian, menunjukkan bahwa sumber daya keterikatan kuantum tidak rusak secara signifikan meskipun sistem fisik terkena fluktuasi yang digerakkan oleh kebisingan dalam interaksi pertukaran antara titik-titik kuantum.

Ringkasan populer

Kami mencirikan keterikatan dua status bit kuantum (qubit) yang dihasilkan dalam platform double quantum dot (DQD) silikon berukuran realistis (Si). Untuk keadaan dua-qubit arbitrer yang dihasilkan melalui konduksi rotasi qubit tunggal diikuti oleh operasi X-terkontrol, kami menggunakan fungsi kuasiprobabilitas operasional marjinal (OQ) untuk secara langsung mengukur sumber keterjeratannya. Di sini kami menunjukkan bahwa fungsi OQ marjinal, yang dapat dibangun hanya dengan operator yang dapat diukur secara langsung, dapat berfungsi sebagai indikator solid keterikatan kuantum meskipun keadaan tertentu terkontaminasi terlalu banyak dengan kebisingan muatan, karena mencirikan kekuatan keterikatan dengan akurasi yang wajar. dan biaya komputasi yang lebih rendah dibandingkan dengan metode negatif terkenal yang melibatkan proses tomografi keadaan penuh. Kami juga menyelidiki bagaimana status dua-qubit dalam sistem DQD Si dipengaruhi oleh noise muatan yang ada di mana-mana di perangkat semikonduktor. Sementara kita melihat bahwa kebisingan mendorong degradasi besar dalam fidelitas, efeknya pada sumber daya keterikatan ternyata jauh lebih lemah sehingga lebih dari 70% sumber daya dapat dipertahankan untuk status Bell yang terjerat secara maksimal bahkan dalam kondisi yang sangat bising di mana fidelitas status turun menjadi sekitar 20%.

โ–บ data BibTeX

โ–บ Referensi

[1] Ryszard Horodecki, Paweล‚ Horodecki, Michaล‚ Horodecki, dan Karol Horodecki. "Keterikatan kuantum". Pendeta Mod. Fisika. 81, 865โ€“942 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865

[2] Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Stefano Pironio, Valerio Scarani, and Stephanie Wehner. "Bell nonlocality". Pendeta Mod. Fisika. 86, 419โ€“478 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.419

[3] Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crรฉpeau, Richard Jozsa, Asher Peres, and William K. Wootters. "Teleportasi keadaan kuantum yang tidak diketahui melalui saluran klasik ganda dan einstein-podolsky-rosen". Fisika. Pendeta Lett. 70, 1895โ€“1899 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.70.1895

[4] PW Shor. "Algoritma untuk perhitungan kuantum: logaritma diskrit dan pemfaktoran". Dalam Prosiding Simposium Tahunan ke-35 tentang Yayasan Ilmu Komputer. Halaman 124โ€“134. (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[5] Changhyoup Lee, Benjamin Lawrie, Raphael Pooser, Kwang-Geol Lee, Carsten Rockstuhl, and Mark Tame. "Sensor plasmonik kuantum". Ulasan Bahan Kimia 121, 4743โ€“4804 (2021).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1021/โ€‹acs.chemrev.0c01028

[6] Frank Arute, Kunal Arya, dan Ryan Babbush ${et}$ ${al}$. "Supremasi kuantum menggunakan prosesor superkonduktor yang dapat diprogram". Alam 574, 505โ€“510 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-1666-5

[7] Gary J. Mooney, Charles D. Hill, dan Lloyd CL Hollenberg. "Keterikatan dalam komputer kuantum superkonduktor 20-qubit". Laporan Ilmiah 9, 13465 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹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. Hรถfer, C. Wรคchter, K. Lakhmanskiy, R. Blatt, P. Schindler, dan T.Monz. "Demonstrator komputasi kuantum perangkap ion yang ringkas". PRX Quantum 2, 020343 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020343

[9] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright, dan C. Monroe. "Demonstrasi komputer kuantum kecil yang dapat diprogram dengan qubit atom". Alam 536, 63โ€“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, and J. Kim. "Membandingkan komputer kuantum 11-qubit". Komunikasi Alam 10, 5464 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹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, and LMK Vandersypen. "Prosesor kuantum dua qubit yang dapat diprogram dalam silikon". Alam 555, 633โ€“637 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature25766

[12] M. Steger, K. Saeedi, MLW Thewalt, JJL Morton, H. Riemann, NV Abrosimov, P. Becker, dan H.-J. Pohl. โ€œPenyimpanan informasi kuantum selama lebih dari 180 detik menggunakan putaran donor dalam ${}^{28}$SI โ€œvakum semikonduktorโ€โ€. Sains 336, 1280โ€“1283 (2012).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1126/โ€‹science.1217635

[13] Alexei 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, and SA Lyon. โ€œKoherensi spin elektron melebihi detik dalam silikon dengan kemurnian tinggiโ€. Bahan Alam 11, 143โ€“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, and AS Dzurak. "Quantum dot qubit yang dapat dialamatkan dengan kesetiaan kontrol yang toleran terhadap kesalahan". Nanoteknologi Alam 9, 981โ€“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, and AS Dzurak. "Gerbang logika dua qubit dalam silikon". Alam 526, 410โ€“414 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[16] DM Zajac, AJ Sigillito, M. Russ, F. Borjans, JM Taylor, G. Burkard, dan JR Petta. "Gerbang cnot yang digerakkan secara resonan untuk putaran elektron". Sains 359, 439โ€“442 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao5965

[17] Otfried Gรผhne dan Gรฉza Tรณth. "Deteksi keterikatan". Laporan Fisika 474, 1โ€“75 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004

[18] E.Wigner. "Pada koreksi kuantum untuk kesetimbangan termodinamika". Fisika. Wahyu 40, 749โ€“759 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.40.749

[19] K. Husimi. "Beberapa sifat formal dari matriks kerapatan". Prosiding Masyarakat Fisika-Matematika Jepang. Seri ke-3 22, 264โ€“314 (1940).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[20] Roy J. Glauber. "Kondisi medan radiasi yang koheren dan tidak koheren". Fisika. Wahyu 131, 2766โ€“2788 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[21] EKG Sudarshan. "Kesetaraan deskripsi semiklasik dan mekanika kuantum dari berkas cahaya statistik". Fisika. Pendeta Lett. 10, 277โ€“279 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[22] KE Cahill dan RJ Glauber. "Operator kepadatan dan distribusi probabilitas kuasi". Fisika. Wahyu 177, 1882โ€“1902 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.177.1882

[23] Christopher Ferrie. "Representasi kuasi-probabilitas dari teori kuantum dengan aplikasi untuk ilmu informasi kuantum". Laporan Kemajuan Fisika 74, 116001 (2011).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹0034-4885/โ€‹74/โ€‹11/โ€‹116001

[24] Jiyong Park, Junhua Zhang, Jaehak Lee, Se-Wan Ji, Mark Um, Dingshun Lv, Kihwan Kim, and Hyunchul Nha. "Menguji nonklasikalitas dan non-gaussianitas dalam ruang fase". Fisika. Pendeta Lett. 114, 190402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.190402

[25] J. Sperling dan IA Walmsley. "Representasi kuasiprobabilitas dari koherensi kuantum". Fisika. Rev A 97, 062327 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.062327

[26] J Sperling dan W Vogel. "Distribusi quasiprobability untuk koherensi kuantum-optik dan seterusnya". Physica Scripta 95, 034007 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1402-4896 / ab5501

[27] Martin Bohmann, Elizabeth Agudelo, dan Jan Sperling. "Menyelidiki nonklasikalitas dengan matriks distribusi fase-ruang". Kuantum 4, 343 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2020-10-15-343

[28] Jiyong Park, Jaehak Lee, Kyunghyun Baek, and Hyunchul Nha. "Mengukur non-gaussianity dari keadaan kuantum dengan entropi negatif dari distribusi quadrature". Fisika. Pdt. A 104, 032415 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032415

[29] Junghee Ryu, James Lim, Sunghyuk Hong, and Jinhyoung Lee. "Kuasiprobabilitas operasional untuk qudits". Fisika. Rev A 88, 052123 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.052123

[30] Jeongwoo Jae, Junghee Ryu, dan Jinhyoung Lee. "Operasional kuasiprobabilitas untuk variabel kontinu". Fisika. Pdt. 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, and Jinhyoung Lee. "Eksperimen optik untuk menguji probabilitas negatif dalam konteks pemilihan pengukuran kuantum". Laporan Ilmiah 9, 19021 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41598-019-53121-5

[32] Ji-Hoon Kang, Junghee Ryu, dan Hoon Ryu. "Menjelajahi perilaku sistem titik kuantum si yang digerakkan oleh elektroda: dari kontrol muatan hingga operasi qubit". Skala nano 13, 332โ€“339 (2021).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1039/โ€‹D0NR05070A

[33] Hoon Ryu dan Ji-Hoon Kang. "Devitalisasi ketidakstabilan yang digerakkan oleh kebisingan dari logika yang menjerat dalam perangkat silikon dengan kontrol bias". Laporan Ilmiah 12, 15200 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41598-022-19404-0

[34] Jing Wang, A. Rahman, A. Ghosh, G. Klimeck, and M. Lundstrom. "Tentang validitas perkiraan massa efektif parabola untuk perhitungan ${I}$-${V}$ dari transistor kawat nano silikon". Transaksi IEEE pada Perangkat Elektron 52, 1589โ€“1595 (2005).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1109/โ€‹TED.2005.850945

[35] R. Neumann dan LR Schreiber. "Simulasi dinamika medan magnet mikro untuk manipulasi spin qubit". Jurnal Fisika Terapan 117, 193903 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4921291

[36] Maximilian Russ, DM Zajac, AJ Sigillito, F. Borjans, JM Taylor, JR Petta, and Guido Burkard. "Gerbang kuantum fidelitas tinggi dalam titik kuantum ganda si/sige". Fisika. Rev B 97, 085421 (2018).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1103/โ€‹PhysRevB.97.085421

[37] E. Paladino, YM Galperin, G. Falci, and BL Altshuler. โ€œ${1}/โ€‹{f}$ noise: Implikasi untuk informasi kuantum solid-stateโ€. Pendeta Mod. Fisika. 86, 361โ€“418 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.361

Dikutip oleh

Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum