Изучение ресурса запутывания в системах с квантовыми точками кремния с помощью операционного квазивероятностного подхода

Отметка времени: 6 октября 2022 г., 8:35
Исходный узел: 1719787

Джунхи Рю и Хун Рю

Отделение национальных суперкомпьютеров, Корейский институт науки и технической информации, Тэджон 34141, Республика Корея

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Мы характеризуем квантовую запутанность реалистичных двухкубитных сигналов, чувствительных к зарядовым шумам. Наш рабочий пример — это временной отклик, генерируемый платформой кремниевых двойных квантовых точек (DQD), где вращение одного кубита и операция управляемого НЕ с двумя кубитами выполняются последовательно во времени для генерации произвольных запутанных состояний. Чтобы охарактеризовать запутанность состояний двух кубитов, мы используем подход маргинальной операционной квазивероятности (OQ), который допускает отрицательные значения функции вероятности, если данное состояние запутано. В то время как зарядовый шум, который вездесущ в полупроводниковых устройствах, серьезно влияет на логические операции, реализованные в платформе DQD, вызывая значительное ухудшение точности унитарных операций, а также возникающие в результате двухкубитные состояния, картина силы запутанности, управляемая OQ, оказывается быть вполне инвариантным, что указывает на то, что ресурс квантовой запутанности существенно не нарушается, хотя физическая система подвержена шумовым флуктуациям при обменном взаимодействии между квантовыми точками.

Популярное резюме

Мы характеризуем запутанность состояний двух квантовых битов (кубитов), которые генерируются в кремниевой (Si) двойной квантовой точке (DQD) платформе реалистичного размера. Для произвольных состояний с двумя кубитами, которые создаются посредством вращения одного кубита с последующей операцией контролируемого X, мы используем функцию предельной операционной квазивероятности (OQ) для прямой количественной оценки их ресурса запутанности. Здесь мы показываем, что маргинальная функция OQ, которую можно построить исключительно с помощью непосредственно измеряемых операторов, может служить надежным индикатором квантовой запутанности, даже если данное состояние слишком сильно загрязнено зарядовыми шумами, поскольку она характеризует силу запутанности с разумной точностью. и более низкая стоимость вычислений по сравнению с известным методом отрицательности, который включает в себя процесс томографии полного состояния. Мы также исследуем, как на состояния двух кубитов в системе Si DQD влияют зарядовые шумы, которые вездесущи в полупроводниковых устройствах. Хотя мы видим, что шум приводит к значительному ухудшению точности, его влияние на ресурс запутанности оказывается намного слабее, поэтому более 70% ресурса может быть сохранено для максимально запутанных состояний Белла даже в условиях сильного шума, когда точность состояния падает. примерно до 20%.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Рышард Городецкий, Павел Городецкий, Михал Городецкий и Кароль Городецкий. «Квантовая запутанность». Преподобный Мод. физ. 81, 865–942 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865

[2] Николя Бруннер, Даниэль Кавальканти, Стефано Пиронио, Валерио Скарани и Стефани Венер. «Колокольная нелокальность». Преподобный Мод. физ. 86, 419–478 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.419

[3] Чарльз Х. Беннетт, Жиль Брассар, Клод Крепо, Ричард Джосса, Ашер Перес и Уильям К. Вуттерс. «Телепортация неизвестного квантового состояния по двойному классическому каналу и каналу Эйнштейна-Подольского-Розена». физ. Преподобный Летт. 70, 1895–1899 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.70.1895

[4] П. В. Шор. «Алгоритмы квантовых вычислений: дискретные логарифмы и факторинг». В материалах 35-го ежегодного симпозиума по основам информатики. Страницы 124–134. (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[5] Чанхёп Ли, Бенджамин Лори, Рафаэль Пусер, Кванг-Геол Ли, Карстен Рокстуль и Марк Тейм. «Квантовые плазмонные сенсоры». Химические обзоры 121, 4743–4804 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.chemrev.0c01028

[6] Фрэнк Аруте, Кунал Арья и Райан Бэббуш ${et}$ ${al}$. «Квантовое превосходство с помощью программируемого сверхпроводящего процессора». Природа 574, 505–510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[7] Гэри Дж. Муни, Чарльз Д. Хилл и Ллойд С.Л. Холленберг. «Запутанность в 20-кубитном сверхпроводящем квантовом компьютере». Научные отчеты 9, 13465 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-49805-7

[8] И. Погорелов, Т. Фельдкер, гл. Д. Марчиняк, Л. Постлер, Г. Якоб, О. Кригльштайнер, В. Подлесник, М. Мет, В. Негневицкий, М. Штадлер, Б. Хёфер, К. Вехтер, К. Лахманский, Р. Блатт, П. Шиндлер и Т. Монц. «Компактный демонстратор квантовых вычислений с ионной ловушкой». PRX Quantum 2, 020343 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020343

[9] С. Дебнат, Н. М. Линке, К. Фиггатт, К. А. Ландсман, К. Райт и К. Монро. «Демонстрация небольшого программируемого квантового компьютера с атомными кубитами». Природа 536, 63–66 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18648

[10] К. Райт, К. М. Бек, С. Дебнат, Дж. М. Амини, Ю. Нам, Н. Гржесяк, Дж. С. Чен, Н. С. Писенти, М. Хмелевски, К. Коллинз, К. М. Худек, Дж. Мизрахи, Дж. Д. Вонг-Кампос, С. Аллен, Дж. Аписдорф, П. Соломон, М. Уильямс, А. М. Дюкор, А. Блинов, С. М. Крайкемайер, В. Чаплин, М. Кисан, К. Монро и Дж. Ким. «Тестирование квантового компьютера с 11 кубитами». 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 и LMK Vandersypen. «Программируемый двухкубитный квантовый процессор в кремнии». Природа 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. Пол. «Хранение квантовой информации в течение более 180 с с использованием донорных спинов в «полупроводниковом вакууме» ${}^{28}$SI». Наука 336, 1280–1283 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1217635

[13] Алексей М. Тырышкин, Шиничи Тохо, Джон Дж. Л. Мортон, Хельге Риманн, Николай В. Абросимов, Питер Беккер, Ханс-Иоахим Поль, Томас Шенкель, Майкл Л. В. Теуолт, Кохей М. Ито и С. А. Лион. «Когерентность электронного спина превышает секунды в кремнии высокой чистоты». Материалы природы 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 и AS Dzurak. «Адресный квантовый кубит с отказоустойчивой точностью управления». Природа Нанотехнологии 9, 981–985 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nnano.2014.216

[15] М. Вельдхорст, Ч. Янг, Дж. К. К. Хван, В. Хуанг, Дж. П. Дехоллен, Дж. Т. Мухонен, С. Симмонс, А. Лаухт, Ф. Е. Хадсон, К. М. Ито, А. Морелло и А. С. Джурак. «Двухкубитный логический вентиль в кремнии». Природа 526, 410–414 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[16] DM Zajac, AJ Sigillito, M. Russ, F. Borjans, JM Taylor, G. Burkard и JR Petta. «Резонансно управляемые ворота узла для электронных спинов». Наука 359, 439–442 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao5965

[17] Отфрид Гюне и Геза Тот. «Обнаружение запутанности». Отчеты по физике 474, 1–75 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2009.02.004

[18] Э. Вигнер. «О квантовой поправке к термодинамическому равновесию». физ. Ред. 40, 749–759 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.40.749

[19] К. Хусими. «Некоторые формальные свойства матрицы плотности». Труды Физико-математического общества Японии. 3-я серия 22, 264–314 (1940).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[20] Рой Дж. Глаубер. «Когерентные и некогерентные состояния поля излучения». физ. 131, 2766–2788 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[21] ЭКГ Сударшан. «Эквивалентность квазиклассических и квантово-механических описаний статистических световых пучков». физ. Преподобный Летт. 10, 277–279 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[22] К.Э. Кэхилл и Р. Дж. Глаубер. «Операторы плотности и квазивероятностные распределения». физ. 177, 1882–1902 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.177.1882

[23] Кристофер Ферри. «Квазивероятностные представления квантовой теории с приложениями к квантовой информатике». Отчеты о прогрессе в физике 74, 116001 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​74/​11/​116001

[24] Джиён Пак, Цзюньхуа Чжан, Джэхак Ли, Се-Ван Джи, Марк Ум, Диншун Лв, Кихван Ким и Хёнчуль Нха. «Проверка неклассичности и негауссовости в фазовом пространстве». физ. Преподобный Летт. 114, 190402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.190402

[25] Дж. Сперлинг и И. А. Уолмсли. «Квазивероятностное представление квантовой когерентности». физ. Ред. А 97, 062327 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.062327

[26] Дж. Сперлинг и В. Фогель. «Квазивероятностные распределения для квантово-оптической когерентности и не только». Physica Scripta 95, 034007 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1402-4896 / ab5501

[27] Мартин Бохманн, Элизабет Агудело и Ян Сперлинг. «Исследование неклассичности с помощью матриц распределений в фазовом пространстве». Квант 4, 343 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-15-343

[28] Джиён Пак, Джэхак Ли, Кёнхён Бэк и Хёнчуль Нха. «Количественная негауссовость квантового состояния отрицательной энтропией квадратурных распределений». физ. Ред. А 104, 032415 (2021 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032415

[29] Джунхи Рю, Джеймс Лим, Сонхёк Хон и Джинхён Ли. «Операционные квазивероятности для кудитов». физ. Ред. А 88, 052123 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.052123

[30] Чону Джэ, Чонхи Рю и Джинхён Ли. «Операционные квазивероятности для непрерывных переменных». физ. Ред. А 96, 042121 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.042121

[31] Джунхи Рю, Сонхёк Хон, Чжун-Сон Ли, Кан Хи Соль, Чонву Джэ, Джеймс Лим, Дживон Ли, Кван-Геол Ли и Джинхён Ли. «Оптический эксперимент для проверки отрицательной вероятности в контексте выбора квантовых измерений». Научные отчеты 9, 19021 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-53121-5

[32] Джи-Хун Кан, Джунхи Рю и Хун Рю. «Изучение поведения управляемых электродом систем квантовых точек си: от управления зарядом до операций с кубитами». Наномасштаб 13, 332–339 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1039/​D0NR05070A

[33] Хун Рю и Джи-Хун Кан. «Девитализация вызванной шумом нестабильности запутывающей логики в кремниевых устройствах с элементами управления смещением». Научные отчеты 12, 15200 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-19404-0

[34] Цзин Ван, А. Рахман, А. Гош, Г. Климек и М. Лундстрем. “О применимости приближения параболической эффективной массы для расчета ${I}$-${V}$ кремниевых транзисторов с нанопроволокой”. Транзакции IEEE на электронных устройствах 52, 1589–1595 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TED.2005.850945

[35] Р. Нейманн и Л.Р. Шрайбер. «Моделирование динамики поля рассеяния микромагнитов для манипулирования спиновыми кубитами». Журнал прикладной физики 117, 193903 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4921291

[36] Максимилиан Расс, Д. М. Заджак, А. Дж. Сигиллито, Ф. Борджанс, Дж. М. Тейлор, Дж. Р. Петта и Гвидо Буркард. «Высокоточные квантовые вентили в si/sig двойных квантовых точках». физ. Ред. B 97, 085421 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.97.085421

[37] Э. Паладино, Ю.М. Гальперин, Г. Фальчи, Б.Л. Альтшулер. «Шум ${1}/​{f}$: последствия для твердотельной квантовой информации». Преподобный Мод. физ. 86, 361–418 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.361

Цитируется

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал