חקירת משאב הסתבכות במערכות נקודות סי קוונטיות עם גישת כמעט הסתברות תפעולית

צומת המקור: 1719787

ג'ונגי ריו ו הון ריו

המחלקה הלאומית למחשוב-על, מכון קוריאה למידע מדע וטכנולוגיה, Daejeon 34141, הרפובליקה של קוריאה

מצא את העיתון הזה מעניין או רוצה לדון? סקייט או השאירו תגובה ב- SciRate.

תַקצִיר

אנו מאפיינים את ההסתבכות הקוונטית של האותות הריאליסטיים של שני קיוביטים הרגישים לרעשי טעינה. דוגמה העבודה שלנו היא תגובת הזמן שנוצרת מפלטפורמת סיליקון קוונטית כפולה (DQD), שבה סיבוב קיוביט בודד ופעולת שני קוויביט מבוקר-NOT מתנהלים ברצף בזמן כדי ליצור מצבים מסתבכים שרירותיים. על מנת לאפיין את ההסתבכות של מצבי שני קיוביטים, אנו משתמשים בגישת ה-quasiprobability של שוליים (OQ) המאפשרת ערכים שליליים של פונקציית ההסתברות אם מצב נתון מסובך. בעוד שרעש הטעינה, שנמצא בכל מקום במכשירי מוליכים למחצה, משפיע קשות על פעולות לוגיות המיושמות בפלטפורמת DQD, וגורם לירידה עצומה בנאמנות של פעולות יחידתיות, כמו גם מצבי שני קיוביטים כתוצאה מכך, הדפוס בחוזק ההסתבכות המונע על ידי OQ מתברר להיות די בלתי משתנים, מה שמצביע על כך שהמשאב של הסתבכות קוונטית אינו שבור באופן משמעותי למרות שהמערכת הפיזית חשופה לתנודות מונעות רעש באינטראקציה בין נקודות קוונטיות.

אנו מאפיינים את ההסתבכות של שני מצבי סיביות קוונטיות (qubits) שנוצרות בפלטפורמת סיליקון (Si) כפולה קוונטית (DQD) בגודל ריאליסטי. עבור מצבים שרירותיים של שני קיוביט שנוצרים באמצעות הולכה של סיבוב קיוביט בודד ואחריו פעולת X מבוקרת, אנו משתמשים בפונקציית ה-quasiprobability של שוליים (OQ) כדי לכמת ישירות את משאב ההסתבכות שלהם. כאן אנו מראים שפונקציית OQ השולית, הניתנת לבנייה אך ורק עם אופרטורים הניתנים למדידה ישירה, יכולה לשמש אינדיקטור מוצק להסתבכות קוונטית למרות שמצב נתון מזוהם יותר מדי ברעשי מטען, מכיוון שהיא מאפיינת את חוזק ההסתבכות בדיוק סביר ועלות מחשוב נמוכה יותר בהשוואה לשיטת השליליות הידועה הכוללת את תהליך טומוגרפיית המצב המלא. אנו גם חוקרים כיצד מצבי שני קיוביטים במערכת Si DQD מושפעים מרעשי טעינה שנמצאים בכל מקום בהתקני מוליכים למחצה. בעוד אנו רואים שהרעש מניע ירידה עצומה בנאמנות, ההשפעה שלו על משאב ההסתבכות מתבררת כחלשה בהרבה, כך שניתן לשמר יותר מ-70% מהמשאב למצבי פעמון המסובכים בצורה מקסימלית אפילו במצב רועש מאוד שבו נאמנות המדינה יורדת לסביבות 20%.

► נתוני BibTeX

► הפניות

[1] Ryszard Horodecki, Pawel Horodecki, Michał Horodecki, Karol Horodecki. "הסתבכות קוונטית". כומר מוד. פיזי. 81, 865–942 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865

[2] ניקולס ברונר, דניאל קוולקנטי, סטפנו פירוניו, ולריו סקאראני וסטפני ווהנר. "לא מקומיות של פעמון". כומר מוד. פיזי. 86, 419–478 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.419

[3] צ'ארלס ה' בנט, ז'יל בראסארד, קלוד קרפו, ריצ'רד ג'וזה, אשר פרס וויליאם ק. ווטרס. "טלפורטציה של מצב קוונטי לא ידוע באמצעות ערוצים קלאסיים כפולים ואיינשטיין-פודולסקי-רוזן". פיזי. הכומר לט. 70, 1895–1899 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.70.1895

[4] PW Shor. "אלגוריתמים לחישוב קוונטי: לוגריתמים נפרדים ופירוק פקטור". ב-Proceedings סימפוזיון שנתי 35 על יסודות מדעי המחשב. עמודים 124–134. (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

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

[6] פרנק ארוט, קונאל אריה וריאן בבוש ${et}$ ${al}$. "עליונות קוונטית באמצעות מעבד מוליך-על הניתן לתכנות". טבע 574, 505–510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[7] גארי ג'יי מוני, צ'ארלס ד' היל ולויד CL הולנברג. "הסתבכות במחשב קוונטי מוליך-על של 20 קיוביטים". דוחות מדעיים 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. שינדלר, וטי מונץ. "מדגן מחשוב קוונטי קומפקטי של מלכודת יונים". PRX Quantum 2, 020343 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020343

[9] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright, and C. Monroe. "הדגמה של מחשב קוונטי קטן הניתן לתכנות עם קיוביטים אטומיים". טבע 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, and J. Kim. "השוואת מחשב קוונטי של 11 קיוביטים". תקשורת טבע 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, ו-LMK Vandersypen. "מעבד קוונטי שני קיוביטים ניתן לתכנות בסיליקון". טבע 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, and H.-J. פוהל. "אחסון מידע קוונטי במשך למעלה מ-180 שניות באמצעות ספינים של תורם ב"וואקום מוליכים למחצה" ${}^{28}$SI". מדע 336, 1280–1283 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1217635

[13] אלכסיי מ' טירישקין, שינצ'י טוג'ו, ג'ון ג'יי.ל. מורטון, הלג רימן, ניקולאי ו' אברוסימוב, פיטר בקר, הנס-יואכים פוהל, תומאס שנקל, מייקל ל.וו. ת'וואלט, קוהיי מ' איטו ו-SA ליון. "קוהרנטיות ספין אלקטרונים העולה על שניות בסיליקון בטוהר גבוה". חומרי הטבע 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, and AS Dzurak. "קיוביט נקודה קוונטית שניתן להתייחס אליה עם נאמנות בקרה סובלנית לתקלות". 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, and AS Dzurak. "שער לוגי של שני קיוביטים בסיליקון". טבע 526, 410–414 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[16] DM Zajac, AJ Sigillito, M. Russ, F. Borjans, JM Taylor, G. Burkard, and JR Petta. "שער cnot המונע באופן תהודה עבור ספינים של אלקטרונים". מדע 359, 439–442 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao5965

[17] Otfried Gühne ו-Géza Tóth. "זיהוי הסתבכות". דוחות פיזיקה 474, 1–75 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004

[18] אי ויגנר. "על התיקון הקוונטי לשיווי משקל תרמודינמי". פיזי. רפ' 40, 749–759 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.40.749

[19] ק.חוסימי. "כמה מאפיינים פורמליים של מטריצת הצפיפות". הליכים של האגודה הפיזיקו-מתמטית של יפן. סדרה ג' 3, 22–264 (314).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[20] רוי ג'יי גלאובר. "מצבים קוהרנטיים ובלתי קוהרנטיים של שדה הקרינה". פיזי. Rev. 131, 2766–2788 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[21] א.ק.ג סודארשן. "השקילות של תיאורים מכאניים למחצה וקוונטיים של קרני אור סטטיסטיות". פיזי. הכומר לט. 10, 277–279 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[22] KE Cahill ו-RJ Glauber. "אופרטורי צפיפות והתפלגות כמעט הסתברות". פיזי. Rev. 177, 1882–1902 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.177.1882

[23] כריסטופר פרי. "ייצוגים כמעט-הסתברותיים של תורת הקוונטים עם יישומים למדעי המידע הקוונטי". דוחות על התקדמות בפיזיקה 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 ו-Hyunchul Nha. "בדיקת אי-קלאסיות ואי-גאוסיות במרחב פאזה". פיזי. הכומר לט. 114, 190402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.190402

[25] J. Sperling ו-IA Walmsley. "ייצוג כמעט הסתברות של קוהרנטיות קוונטית". פיזי. ר' א 97, 062327 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.062327

[26] J Sperling ו-W Vogel. "התפלגות קו-הסתברות לקוהרנטיות קוונטית-אופטית ומעבר לכך". Physica Scripta 95, 034007 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1402-4896 / ab5501

[27] מרטין בוהמן, אליזבת אגולו ויאן שפרלינג. "בדיקה של אי-קלאסיות עם מטריצות של התפלגות מרחב-פאזה". Quantum 4, 343 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-15-343

[28] Jiyong Park, Jaehak Lee, Kyunghyun Baek ו-Hyunchul Nha. "כימת אי-גאוסיות של מצב קוונטי על ידי האנטרופיה השלילית של התפלגויות ריבועיות". פיזי. ר' א 104, 032415 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032415

[29] ג'ונגי ריו, ג'יימס לים, סונגהיוק הונג וג'ינהיונג לי. "הסתברויות קוואזי תפעוליות עבור qudits". פיזי. ר' א 88, 052123 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.052123

[30] ג'ונגוו ג'ה, ג'ונגי ריו וג'ינהיונג לי. "הסתברויות קוואזי תפעוליות למשתנים מתמשכים". פיזי. ר' א 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. "ניסוי אופטי לבדיקת הסתברות שלילית בהקשר של בחירת מדידה קוונטית". דוחות מדעיים 9, 19021 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-53121-5

[32] ג'י-הון קאנג, ג'ונגי ריו והון ריו. "חקר את ההתנהגויות של מערכות נקודות סי קוונטיות המונעות על ידי אלקטרודות: מבקרת מטען ועד פעולות קיוביט". ננומטרי 13, 332–339 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1039/​D0NR05070A

[33] הון ריו וג'י-הון קאנג. "השבתת חוסר יציבות מונעת רעש של היגיון מסתבך במכשירי סיליקון עם בקרות הטיה". דוחות מדעיים 12, 15200 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-19404-0

[34] Jing Wang, A. Rahman, A. Ghosh, G. Klimeck, and M. Lundstrom. "על התוקף של קירוב המסה האפקטיבית הפרבולית עבור החישוב ${I}$-${V}$ של טרנזיסטורי ננו-חוטי סיליקון". IEEE Transactions on Electron Devices 52, 1589–1595 (2005).
https://doi.org/​10.1109/​TED.2005.850945

[35] ר' נוימן ול"ר שרייבר. "סימולציה של דינמיקת שדה תועה של מיקרו-מגנט למניפולציה של ספין קיוביט". Journal of Applied Physics 117, 193903 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4921291

[36] מקסימיליאן ראס, DM Zajac, AJ Sigillito, F. Borjans, JM Taylor, JR Petta, ו-Guido Burkard. "שערים קוונטיים בנאמנות גבוהה בנקודות קוונטיות כפולות si/sige". פיזי. ר' ב 97, 085421 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.97.085421

[37] E. Paladino, YM Galperin, G. Falci, and BL Altshuler. "רעש ${1}/​{f}$: השלכות על מידע קוונטי במצב מוצק". כומר מוד. פיזי. 86, 361–418 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.361

מצוטט על ידי

בול זמן:

עוד מ יומן קוונטים