Raziskovanje vira zapletanja v sistemih kvantnih pik Si z operativnim kvaziverjetnostnim pristopom

Časovni žig: 6. oktober 2022 8:35
Izvorno vozlišče: 1719787

Junghee Ryu in Hoon Ryu

Division of National Supercomputing, Korea Institute of Science and Technology Information, Daejeon 34141, Republika Koreja

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Opisujemo kvantno prepletenost realističnih dvokubitnih signalov, ki so občutljivi na hrup naboja. Naš delovni primer je časovni odziv, ustvarjen s platformo silicijeve dvojne kvantne pike (DQD), kjer se rotacija z enim kubitom in operacija nadzorovanega NE z dvema kubitoma izvajata zaporedno v času, da se ustvarijo poljubna zapletena stanja. Da bi opisali prepletenost dvokubitnih stanj, uporabljamo pristop mejne operativne kvaziverjetnosti (OQ), ki dovoljuje negativne vrednosti verjetnostne funkcije, če je dano stanje zapleteno. Medtem ko šum naboja, ki je vseprisoten v polprevodniških napravah, resno vpliva na logične operacije, ki se izvajajo v platformi DQD, kar povzroča veliko poslabšanje zvestobe enotnih operacij in posledično stanje dveh kubitov, se izkaže vzorec v moči prepletenosti, ki jo poganja OQ biti precej nespremenljiv, kar kaže, da vir kvantne prepletenosti ni bistveno pokvarjen, čeprav je fizični sistem izpostavljen nihanjem, ki jih povzroča hrup, v izmenjavi interakcij med kvantnimi pikami.

Priljubljen povzetek

Označujemo prepletenost dveh stanj kvantnih bitov (kubitov), ​​ki sta ustvarjena v realistično veliki silicijevi (Si) platformi dvojne kvantne pike (DQD). Za poljubna dvokubitna stanja, ki nastanejo s prevajanjem ene same rotacije kubita, ki ji sledi operacija nadzorovanega X, uporabljamo funkcijo mejne operativne kvaziverjetnosti (OQ) za neposredno kvantifikacijo njihovega vira zapletanja. Tukaj pokažemo, da lahko marginalna funkcija OQ, ki jo je mogoče sestaviti samo z neposredno merljivimi operatorji, služi kot trden indikator kvantne prepletenosti, čeprav je dano stanje preveč onesnaženo s šumi naboja, saj označuje moč prepletenosti z razumno natančnostjo. in nižji računalniški stroški v primerjavi z dobro znano metodo negativnosti, ki vključuje postopek tomografije celotnega stanja. Raziskujemo tudi, kako na dvokubitna stanja v sistemu Si DQD vplivajo šumi naboja, ki so vseprisotni v polprevodniških napravah. Medtem ko vidimo, da šum povzroča veliko poslabšanje zvestobe, se izkaže, da je njegov učinek na vir prepletenosti veliko šibkejši, tako da je več kot 70 % vira mogoče obdržati za maksimalno zapletena Bellova stanja tudi v zelo hrupnem stanju, kjer zvestoba stanja pade na okoli 20 %.

► BibTeX podatki

► Reference

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

[2] Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Stefano Pironio, Valerio Scarani in Stephanie Wehner. "Nelokalnost zvonca". 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 in William K. Wootters. "Teleportacija neznanega kvantnega stanja preko dvojnega klasičnega kanala in kanala Einstein-Podolsky-Rosen". Phys. Rev. Lett. 70, 1895–1899 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.70.1895

[4] PW Šor. “Algoritmi za kvantno računanje: diskretni logaritmi in faktoring”. V zborniku 35. letnega simpozija o temeljih računalništva. Strani 124–134. (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

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

[6] Frank Arute, Kunal Arya in Ryan Babbush ${et}$ ${al}$. "Kvantna premoč z uporabo programabilnega superprevodnega procesorja". Narava 574, 505–510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[7] Gary J. Mooney, Charles D. Hill in Lloyd CL Hollenberg. "Zapletenost v 20-kubitnem superprevodnem kvantnem računalniku". Znanstvena poročila 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 in T. Monz. "Kompaktni kvantni računalniški demonstrator z ionsko pastjo". PRX Quantum 2, 020343 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020343

[9] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright in C. Monroe. "Demonstracija majhnega programabilnega kvantnega računalnika z atomskimi kubiti". Narava 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 in J. Kim. "Primerjanje 11-qubitnega kvantnega računalnika". 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 in LMK Vandersypen. "Programabilni dvokubitni kvantni procesor v siliciju". Narava 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 in H.-J. Pohl. »Kvantno shranjevanje informacij za več kot 180 s z uporabo donorjevih vrtljajev v ${}^{28}$SI »polprevodniškem vakuumu««. Znanost 336, 1280–1283 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1126 / znanost.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 in SA Lyon. "Koherenca vrtenja elektronov, ki presega sekunde v siliciju visoke čistosti". Materiali narave 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 in AS Dzurak. "Naslovljiv kubit kvantne pike z zvestobo nadzora, ki je odporen na napake". Narava Nanotehnologija 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 in AS Dzurak. "Dvokubitna logična vrata v siliciju". Narava 526, 410–414 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[16] DM Zajac, AJ Sigillito, M. Russ, F. Borjans, JM Taylor, G. Burkard in JR Petta. “Resonančno vodena vrata vozla za elektronske vrtljaje”. Znanost 359, 439–442 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao5965

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

[18] E. Wigner. "O kvantnem popravku za termodinamično ravnovesje". Phys. 40, 749–759 (1932).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.40.749

[19] K. Husimi. “Nekatere formalne lastnosti matrike gostote”. Zbornik fizično-matematičnega društva Japonske. 3. serija 22, 264–314 (1940).
https: / / doi.org/ 10.11429 / ppmsj1919.22.4_264

[20] Roy J. Glauber. “Koherentna in nekoherentna stanja sevalnega polja”. Phys. Rev. 131, 2766–2788 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[21] EKG Sudarshan. “Ekvivalenca semiklasičnih in kvantnomehanskih opisov statističnih svetlobnih žarkov”. Phys. Rev. Lett. 10, 277–279 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[22] KE Cahill in RJ Glauber. “Operatorji gostote in kvaziverjetnostne porazdelitve”. Phys. Rev. 177, 1882–1902 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.177.1882

[23] Christopher Ferrie. "Kvaziverjetnostne predstavitve kvantne teorije z aplikacijami v kvantni informacijski znanosti". Poročila o napredku v fiziki 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 in Hyunchul Nha. "Preizkušanje neklasičnosti in negausovosti v faznem prostoru". Phys. Rev. Lett. 114, 190402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.190402

[25] J. Sperling in IA Walmsley. “Kvaziverjetnostna predstavitev kvantne koherence”. Phys. Rev. A 97, 062327 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.062327

[26] J Sperling in W Vogel. "Kvaziverjetnostne porazdelitve za kvantno-optično koherenco in več". Physica Scripta 95, 034007 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1402-4896 / ab5501

[27] Martin Bohmann, Elizabeth Agudelo in Jan Sperling. “Sondiranje neklasičnosti z matrikami porazdelitev faznega prostora”. Quantum 4, 343 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-15-343

[28] Jiyong Park, Jaehak Lee, Kyunghyun Baek in Hyunchul Nha. "Kvantificiranje ne-gaussovosti kvantnega stanja z negativno entropijo kvadraturnih porazdelitev". Phys. Rev. A 104, 032415 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032415

[29] Junghee Ryu, James Lim, Sunghyuk Hong in Jinhyoung Lee. "Operativne kvaziverjetnosti za qudits". Phys. Rev. A 88, 052123 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.052123

[30] Jeongwoo Jae, Junghee Ryu in Jinhyoung Lee. “Operacijske kvaziverjetnosti za zvezne spremenljivke”. 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 in Jinhyoung Lee. "Optični eksperiment za testiranje negativne verjetnosti v kontekstu izbire kvantnih meritev". Znanstvena poročila 9, 19021 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-53121-5

[32] Ji-Hoon Kang, Junghee Ryu in Hoon Ryu. "Raziskovanje vedenja sistemov si kvantnih pik, ki jih poganjajo elektrode: od nadzora naboja do operacij kubita". Nanoscale 13, 332–339 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1039/​D0NR05070A

[33] Hoon Ryu in Ji-Hoon Kang. "Devitalizirajoča nestabilnost logike zapletanja v silicijevih napravah s krmiljenjem pristranskosti, ki jo poganja hrup". Znanstvena poročila 12, 15200 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-19404-0

[34] Jing Wang, A. Rahman, A. Ghosh, G. Klimeck in M. Lundstrom. “O veljavnosti približka parabolične efektivne mase za izračun ${I}$-${V}$ silicijevih nanožičnih tranzistorjev”. IEEE Transactions on Electron Devices 52, 1589–1595 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TED.2005.850945

[35] R. Neumanna in LR Schreiberja. "Simulacija dinamike razpršenega polja mikromagneta za manipulacijo spin kubitov". 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 in Guido Burkard. »Kvantna vrata visoke ločljivosti v dvojnih kvantnih pikah si/sige«. Phys. Rev. B 97, 085421 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.97.085421

[37] E. Paladino, YM Galperin, G. Falci in BL Altshuler. “${1}/{f}$ šum: Posledice za kvantne informacije v trdnem stanju”. Rev. Mod. Phys. 86, 361–418 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.361

Navedel

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal