[論文レビュー] Completely synchronizing quantum channels

Jakub Czartowski, Ronny Müller+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、初期状態にかかわらず、オープンな量子系のすべてのサブシステムにわたる量子状態の完全同期化を実現する普遍的なメカニズムを提案する。同期化の必要十分条件を確立し、2つの主要なクラスの同期化器における環境次元のタイトな下界を導出し、解析的構成法を提示した。実験的にIBM量子コンピュータで検証され、残存する非同期性がデバイスの不完全性を露呈している。

ABSTRACT

We investigate the most general mechanisms that lead to perfect synchronization of the quantum states of all subsystems of an open quantum system starting from an arbitrary initial state. We provide a necessary and sufficient condition for such synchronization, prove tight lower bounds on the dimension of the environment's Hilbert space in two main classes of quantum-state synchronizers, and give an analytical solution for their construction. The functioning of the found quantum-state synchronizer of two qubits is demonstrated experimentally on an IBM quantum computer and we show that the remaining asynchronicity is a sensitive measure of the quantum computer's imperfection.

研究の動機と目的

• オープンな量子系における量子状態の完全同期化を可能にする最も一般的なメカニズムを同定すること。
• すべてのサブシステムにわたる完全な量子状態同期化のための必要十分条件を特定すること。
• 2つの主要なクラスの同期化器における同期化に必要な環境のヒルバート空間次元のタイトな下界を確立すること。
• 任意の初期状態において完全同期化を達成する量子状態同期化器を解析的に構成する方法を提供すること。
• IBM量子コンピュータ上で2キュービットの同期化器を実験的に実装し、残存する非同期性とハードウェアの不完全性を関連付けること。

提案手法

• オープンな量子系のすべてのサブシステムにわたる量子状態の完全同期化のための必要十分条件を導出する。
• 2つの主要なクラスの量子状態同期化器を分析し、必要な環境のヒルバート空間次元のタイトな下界を計算する。
• 導出された条件と下界に基づいて、明示的な解析的解を同期化器に構築する。
• 最小限の環境を用いた制御ユニタリ相互作用を用いて2キュービットの量子状態同期化器を設計する。
• 同期化器の動作を超伝導IBM量子プロセッサ上で実験的に検証する。
• 実験結果における残存する非同期性を、量子コンピュータのノイズとデ coherent 破壊の感受性の指標として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープンな量子系のすべてのサブシステムにわたる量子状態の完全同期化を可能にする最も一般的なメカニズムは何か？
• RQ2 2つの主要なクラスの量子状態同期化器における完全同期化に必要な最小の環境ヒルバート空間次元は何か？
• RQ3 任意の初期状態において完全同期化を達成するように、量子状態同期化器をどのように解析的に構成できるか？
• RQ4 同期化システムにおける残存する非同期性を用いて、量子プロセッサの実験的不完全性をどの程度定量的に評価できるか？
• RQ5 2キュービットの量子状態同期化器を実際の量子コンピュータ上で実装・検証できるか。その性能はハードウェアの忠実度について何を明らかにするか？

主な発見

• 任意の初期状態に適用可能な、すべてのサブシステムにわたる量子状態の完全同期化のための必要十分条件が導出された。
• 2つの主要なクラスの量子状態同期化器における環境のヒルバート空間次元のタイトな下界が確立された。
• 量子状態同期化器を解析的に構成する方法が提示され、このようなシステムの体系的設計が可能になった。
• 2キュービットの同期化器はIBM量子プロセッサ上で正常に実装され、理論的枠組みの実現可能性が示された。
• 実験的結果における残存する非同期性は、デ coherent 破壊やゲートエラーなどの量子コンピュータの不完全性の感受性の高い指標であることが判明した。
• 実験的結果は、非同期性の程度が量子ハードウェアのノイズレベルとコherency時間の直接的な反映であることを確認した。