Explorarea resurselor de încrucișare în sistemele cu puncte cuantice Si cu abordare operațională de cvasiprobabilitate

Marca temporală: 6 octombrie 2022 8:35
Nodul sursă: 1719787

Junghee Ryu și Hoon Ryu

Divizia Națională de Supercomputing, Institutul Coreean de Informații Științe și Tehnologice, Daejeon 34141, Republica Coreea

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Caracterizăm întricarea cuantică a semnalelor realiste de doi qubiți care sunt sensibile la zgomotele de încărcare. Exemplul nostru de lucru este răspunsul în timp generat de o platformă cu punct cuantic dublu de siliciu (DQD), în care o rotație cu un singur qubit și o operațiune controlată cu doi qubiți sunt efectuate secvenţial în timp pentru a genera stări încurcate arbitrare. Pentru a caracteriza întanglementarea stărilor de doi qubiți, folosim abordarea cvasiprobabilității operaționale marginale (OQ) care permite valori negative ale funcției de probabilitate dacă o stare dată este încurcată. În timp ce zgomotul de încărcare, care este omniprezent în dispozitivele semiconductoare, afectează grav operațiunile logice implementate în platforma DQD, provocând o degradare uriașă a fidelității operațiilor unitare, precum și stările rezultate de doi qubiți, modelul în forța de încurcătură determinată de OQ se dovedește a fi destul de invariant, ceea ce indică faptul că resursa de încurcare cuantică nu este ruptă în mod semnificativ, deși sistemul fizic este expus la fluctuații determinate de zgomot în interacțiunea de schimb între punctele cuantice.

Rezumat popular

Caracterizăm încurcarea a două stări de biți cuantici (qubiți) care sunt generate într-o platformă de siliciu (Si) dublu punct cuantic (DQD) de dimensiuni realiste. Pentru stări arbitrare de doi qubit care sunt produse prin conducerea unei singure rotații de qubit urmată de o operație controlată cu X, folosim funcția de cvasiprobabilitate operațională marginală (OQ) pentru a cuantifica în mod direct resursa de încrucișare a acestora. Aici arătăm că funcția OQ marginală, care poate fi construită numai cu operatori măsurabili direct, poate servi ca un indicator solid al încurcării cuantice, chiar dacă o anumită stare este contaminată prea mult cu zgomote de sarcină, deoarece caracterizează puterea încurcăturii cu o acuratețe rezonabilă. și costuri de calcul mai mici în comparație cu binecunoscuta metodă de negativitate care implică întregul proces de tomografie de stat. De asemenea, investigăm modul în care stările de doi qubiți dintr-un sistem Si DQD sunt afectate de zgomotele de încărcare care sunt omniprezente în dispozitivele semiconductoare. În timp ce vedem că zgomotul duce la o degradare uriașă a fidelității, efectul său asupra resursei de încurcare se dovedește a fi mult mai slab, astfel încât mai mult de 70% din resurse poate fi reținută pentru stările Bell încurcate maxim, chiar și într-o condiție puternic zgomotoasă în care fidelitatea stării scade. la aproximativ 20%.

► Date BibTeX

► Referințe

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

[2] Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Stefano Pironio, Valerio Scarani și Stephanie Wehner. „Nelocalitatea clopoțelului”. Rev. Mod. Fiz. 86, 419–478 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.419

[3] Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jozsa, Asher Peres și William K. Wootters. „Teleportarea unei stări cuantice necunoscute prin canale duale clasice și einstein-podolsky-rosen”. Fiz. Rev. Lett. 70, 1895–1899 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.70.1895

[4] PW Shor. „Algoritmi pentru calculul cuantic: logaritmi discreti și factoring”. In Proceedings Simpozionul anual al 35-lea privind fundamentele informaticii. Paginile 124–134. (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[5] Changhyoup Lee, Benjamin Lawrie, Raphael Pooser, Kwang-Geol Lee, Carsten Rockstuhl și Mark Tame. „Senzori plasmonici cuantici”. Chemical Reviews 121, 4743–4804 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.chemrev.0c01028

[6] Frank Arute, Kunal Arya și Ryan Babbush ${et}$ ${al}$. „Supremația cuantică folosind un procesor supraconductor programabil”. Nature 574, 505–510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[7] Gary J. Mooney, Charles D. Hill și Lloyd CL Hollenberg. „Întrelirea într-un computer cuantic supraconductor de 20 de qubiți”. 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 și T. Monz. „Demonstrator de calcul cuantic cu capcană de ioni compacte”. PRX Quantum 2, 020343 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020343

[9] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright și C. Monroe. „Demonstrația unui mic computer cuantic programabil cu qubiți atomici”. 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 și J. Kim. „Evaluarea comparativă a unui computer cuantic de 11 qubiți”. 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 și LMK Vandersypen. „Un procesor cuantic programabil de doi qubiți din siliciu”. 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 și H.-J. Pohl. „Stocare cuantică a informațiilor timp de peste 180 de secunde folosind rotiri donatoare într-un „vid semiconductor” ${}^{28}$SI”. Science 336, 1280–1283 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1126 / 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 și SA Lyon. „Coerența spinului electronic depășește secundele în siliciu de înaltă puritate”. 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 și AS Dzurak. „Un qubit cu punct cuantic adresabil cu control-fidelitate tolerant la erori”. 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 și AS Dzurak. „O poartă logică de doi qubiți din siliciu”. Nature 526, 410–414 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[16] DM Zajac, AJ Sigillito, M. Russ, F. Borjans, JM Taylor, G. Burkard și JR Petta. „Poarta cnot condusă în mod rezonant pentru spinurile electronilor”. Science 359, 439–442 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao5965

[17] Otfried Gühne și Géza Tóth. „Detectarea încurcăturii”. Rapoarte de fizică 474, 1–75 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004

[18] E. Wigner. „Despre corecția cuantică pentru echilibrul termodinamic”. Fiz. Apoc. 40, 749–759 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.40.749

[19] K. Husimi. „Câteva proprietăți formale ale matricei de densitate”. Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan. Seria a 3-a 22, 264–314 (1940).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[20] Roy J. Glauber. „Stări coerente și incoerente ale câmpului de radiații”. Fiz. Apoc. 131, 2766–2788 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[21] ECG Sudarshan. „Echivalența descrierilor semiclasice și mecanice cuantice ale fasciculelor de lumină statistice”. Fiz. Rev. Lett. 10, 277–279 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[22] KE Cahill și RJ Glauber. „Operatori de densitate și distribuții de cvasiprobabilitate”. Fiz. Rev. 177, 1882–1902 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.177.1882

[23] Christopher Ferrie. „Reprezentări de cvasi-probabilitate ale teoriei cuantice cu aplicații la știința informației cuantice”. Rapoarte despre progresul în fizică 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 și Hyunchul Nha. „Testarea nonclasicității și non-gaussianității în spațiul fazelor”. Fiz. Rev. Lett. 114, 190402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.190402

[25] J. Sperling şi IA Walmsley. „Reprezentarea cu cvasiprobabilitate a coerenței cuantice”. Fiz. Rev. A 97, 062327 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.062327

[26] J Sperling și W Vogel. „Distribuții de cvasiprobabilitate pentru coerența cuantică-optică și nu numai”. Physica Scripta 95, 034007 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1402-4896 / ab5501

[27] Martin Bohmann, Elizabeth Agudelo și Jan Sperling. „Sondarea nonclasicității cu matrici de distribuții de fază-spațiu”. Quantum 4, 343 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-15-343

[28] Jiyong Park, Jaehak Lee, Kyunghyun Baek și Hyunchul Nha. „Cuantificarea non-gaussianității unei stări cuantice prin entropia negativă a distribuțiilor de cuadratura”. Fiz. Rev. A 104, 032415 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032415

[29] Junghee Ryu, James Lim, Sunghyuk Hong și Jinhyoung Lee. „Cvasiprobabilități operaționale pentru qudit-uri”. Fiz. Rev. A 88, 052123 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.052123

[30] Jeongwoo Jae, Junghee Ryu și Jinhyoung Lee. „Cvasiprobabilități operaționale pentru variabile continue”. Fiz. 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 și Jinhyoung Lee. „Experiment optic pentru a testa probabilitatea negativă în contextul selecției de măsurare cuantică”. Rapoarte științifice 9, 19021 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-53121-5

[32] Ji-Hoon Kang, Junghee Ryu și Hoon Ryu. „Explorarea comportamentelor sistemelor cu puncte cuantice și conduse de electrozi: de la controlul sarcinii la operațiuni cu qubit”. Nanoscale 13, 332–339 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1039/​D0NR05070A

[33] Hoon Ryu și Ji-Hoon Kang. „Instabilitatea devitalizată determinată de zgomot a logicii de încurcătură în dispozitivele de siliciu cu controale de polarizare”. Rapoarte științifice 12, 15200 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-19404-0

[34] Jing Wang, A. Rahman, A. Ghosh, G. Klimeck și M. Lundstrom. „Despre validitatea aproximării masei efective parabolice pentru calculul ${I}$-${V}$ al tranzistoarelor din nanofire de siliciu”. IEEE Transactions on Electron Devices 52, 1589–1595 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TED.2005.850945

[35] R. Neumann şi LR Schreiber. „Simularea dinamicii câmpului parazit de micro-magneți pentru manipularea qubitului de spin”. 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 și Guido Burkard. „Porți cuantice de înaltă fidelitate în puncte cuantice duble si/​sige”. Fiz. Rev. B 97, 085421 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.97.085421

[37] E. Paladino, YM Galperin, G. Falci și BL Altshuler. „${1}/​{f}$ zgomot: Implicații pentru informațiile cuantice în stare solidă”. Rev. Mod. Fiz. 86, 361–418 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.361

Citat de

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic