[論文レビュー] A spin based heat engine: multiple rounds of algorithmic cooling

Colm A. Ryan, Osama Moussa+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2007

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、3キュービットの核磁気共鳴（NMR）量子プロセッサを用いて、共鳴制御と制御されたキュービット-環境相互作用を用いて、標的キュービットからエントロピーを効果的に排除する熱浴アルゴリズム冷却の複数ラウンドを実証した。実験では、熱浴の限界をはるかに超えて1.69倍のキュービット偏極が達成され、閉じた系冷却におけるシャノン限界をも超えた。

ABSTRACT

We show experimental results demonstrating multiple rounds of heat-bath algorithmic cooling in a 3 qubit solid-state nuclear magnetic resonance quantum information processor. By dynamically pumping entropy out of the system of interest and into the heat-bath, we are able show purification of a single qubit to a polarization 1.69 times that of the heat-bath and thus go beyond the Shannon bound for closed system cooling. The cooling algorithm implemented requires both high fidelity coherent control and a deliberate controlled interaction with the environment. We discuss the improvements in control that allowed this demonstration. This experimental work shows that given this level of quantum control in systems with sufficiently large polarizations, nearly pure qubits should be achievable.

研究の動機と目的

• 固体状態量子系において、繰り返し熱浴アルゴリズム冷却を実現すること。
• キュービット系から熱浴へエントロピーをポンプアップすることで、自然な平衡状態の限界を超えてキュービット偏極を向上させること。
• 高精度な量子制御が、開放系におけるシャノン限界を超える冷却を可能にすることを検証すること。
• 十分な初期偏極と制御能力を有する系で、近似的に完全なキュービット純度を達成可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 量子情報処理プラットフォームとして、3キュービットの固体状態核磁気共鳴（NMR）プロセッサを用いた。
• キュービット状態を操作するための動的かつ高精度なコherent制御操作を実装した。
• 系のキュービットと熱浴との間で制御された相互作用を設計し、エントロピー移動を促進した。
• 複数ラウンドにわたりアルゴリズム冷却プロトコルを繰り返し、累積的にキュービットエントロピーを低減した。
• 最終的な標的キュービットの偏極を測定し、熱浴との冷却性能を相対的に評価した。
• 繰り返し冷却サイクル中にコherentlyを維持し、デコherenceを最小限に抑えるための量子制御技術を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体状態NMR系において、複数ラウンドの熱浴アルゴリズム冷却を実験的に実現可能か？
• RQ2 キュービット偏極は、熱浴の自然な偏極に比べてどの程度向上できるか？
• RQ3 高精度なコherent制御が、開放系におけるシャノン限界を超える冷却を可能にするか？
• RQ4 環境との制御された相互作用が、量子レジスタ内のエントロピー低減にどのように寄与するか？
• RQ5 閉じた系の限界を超えた顕著な冷却を達成するには、どの程度の制御精度が求められるか？

主な発見

• 実験では、熱浴の偏極に対して1.69倍のキュービット偏極増加が達成され、閉じた系冷却におけるシャノン限界をも超えた。
• 複数ラウンドのアルゴリズム冷却が成功裏に実装され、系内での累積的エントロピー低減が確認された。
• 高精度なコherent制御と制御された環境結合が、観測された冷却効果を実現するために不可欠であった。
• 結果から、系からバスタ向かってエントロピーが効果的にポンプアップされ、キュービット純度が向上することが確認された。
• 提示された制御品質から、十分な初期偏極と制御精度を有する系では、ほぼ完全なキュービット純度が達成可能であると示唆された。