[論文レビュー] An Open-System Quantum Simulator with Trapped Ions

Julio T. Barreiro, Markus G. Mueller+8 more|RePEc: Research Papers in Economics|Apr 6, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、捕獲イオンを用いたオープン量子系のシミュレーションのための最初の実験的ツールキットを実証した。これは、多量子ビットのコherentなゲートと、光励起によるエンジニアリングされた散逸を組み合わせたものである。5量子ビット系において、エンタングル状態（例：ベル状態やGHZ状態）の散逸的準備、n体スピン相互作用のコherentな実装、多量子ビットオブザーバブルの量子非破壊測定を達成し、制御されたオープン系量子シミュレーションの基盤を確立した。

ABSTRACT

The control of quantum systems is of fundamental scientific interest and promises powerful applications and technologies. Impressive progress has been achieved in isolating the systems from the environment and coherently controlling their dynamics, as demonstrated by the creation and manipulation of entanglement in various physical systems. However, for open quantum systems, engineering the dynamics of many particles by a controlled coupling to an environment remains largely unexplored. Here we report the first realization of a toolbox for simulating an open quantum system with up to five qubits. Using a quantum computing architecture with trapped ions, we combine multi-qubit gates with optical pumping to implement coherent operations and dissipative processes. We illustrate this engineering by the dissipative preparation of entangled states, the simulation of coherent many-body spin interactions and the quantum non-demolition measurement of multi-qubit observables. By adding controlled dissipation to coherent operations, this work offers novel prospects for open-system quantum simulation and computation.

研究の動機と目的

• 制御された系-環境結合を有するスケーラブルな実験的プラットフォームを構築し、オープン量子系をシミュレートすること。
• 捕獲イオンを用いて、多量子ビット系におけるコherentおよび散逸的ダイナミクスの両方を実現すること。
• 任意の初期状態からベル状態やGHZ状態などのエンタングル状態を散逸的手段で準備すること。
• 多量子ビット安定化子オブザーバブルの量子非破壊（QND）測定を実装し、破壊的測定を回避すること。
• 環境測定からのフィードバックを用いたクローズド・ループ量子シミュレーションおよび誤り訂正の基盤を築くこと。

提案手法

• 最大5量子ビットの捕獲イオン量子コンピューティングアーキテクチャを用い、イオンをシステムと環境に分離する。
• コherentな時間発展にユニバーサル量子ゲート（単一および双粒子操作）を用い、散逸には光励起を用いる。
• 操作要素 {E_k} を用いて散逸的マップを構築し、系を特定のエンタングル状態へと一意のアトラクターへと誘導する。
• 補助量子ビットにn体オブザーバブルをコherentに写像し、その測定によってシステムの重ね合わせ状態を崩さずに測定する、量子非破壊（QND）測定を実装する。
• 状態準備および測定の忠実度を評価するために量子プロセストロポグラフィーを用いる。
• コherent操作と散逸的プロセスを組み合わせることで、一般の非ユニタリなオープン系ダイナミクスを模擬する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期状態に依存せずに、多量子ビット系において制御された散逸を設計し、特定のエンタングル状態を準備できるか？
• RQ2 捕獲イオン量子シミュレータにおいて、コherentなn体スピン相互作用をどのように実装できるか？
• RQ3 補助量子ビットを用いることで、どの程度まで多量子ビットオブザーバブルを非破壊的に測定できるか？
• RQ4 コherentおよび散逸的ダイナミクスの相互作用が、一般のオープン系進化を模擬できるか？
• RQ5 環境測定からのフィードバックによって、どのようにクローズド・ループ量子シミュレーションを実現できるか？

主な発見

• 2+1イオン系において、完全に混合状態から目標のエンタングル状態へとポンピングする手法により、ベル状態の散逸的準備が73(1)%の忠実度で達成された。
• 4+1イオン系において、4量子ビットのGHZ状態が散逸的に準備された。これはキタエフのトーリックコードの最小インスタンスに相当する。
• 4スピン相互作用が、多体スピンハミルトニアンの基本的構築モジュールとして実装された。
• 4量子ビット安定化子演算子 $X_1X_2X_3X_4$ の量子非破壊（QND）測定が、安定化子固有状態に対して96.9(6)%の忠実度で実現された。
• n体オブザーバブルの非破壊的読み出しを実現し、固有空間内での重ね合わせ状態を保存した。
• コherentな時間発展とエンジニアリングされた散逸を組み合わせることで、一般のオープン系ダイナミクスをシミュレートする包括的なツールキットが実証された。