[論文レビュー] Efficient steady state entanglement generation in strongly driven coupled qubits

Ana L. Gramajo, Daniel Domı́nguez+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 72被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、3レベル系におけるランドウ＝ツェナー＝シュトゥッケルベルグ干渉と、非対称なキュービット-バースト結合を活用することで、強力に駆動される結合した超伝導キュービット系において、最大にエンタングルされた定常状態を生成するメカニズムを提案する。この手法は、多光子共鳴の微調整を必要とせず、キュービット間結合の符号と高速な緩和チャネルに依存することで、広い駆動振幅範囲でほぼ最大のconcurrence（1に近い）を達成する。

ABSTRACT

We report on a mechanism to optimize the generation of steady-state entanglement in a system of coupled qubits driven by microwave fields. Due to the interplay between Landau-Zener-St\"uckerlberg pumping involving three levels and a subsequent fast relaxation channel, which is activated by tuning the qubits-reservoir couplings, a maximally entangled state can be populated. This mechanism does not require from the fine-tuning of multiphoton-resonances but depends on the sign of the qubit-qubit coupling. In particular, we find that by a proper design of the system parameters and the driving protocol, the two-qubits steady-state concurrence can attain values close to 1 in a wide range of driving amplitudes. Our results may be useful to gain further insight into entanglement control and manipulation in dissipative quantum systems exposed to strong driving.

研究の動機と目的

• 強い駆動下におけるオープン量子系において、頑健で高精度な定常状態エンタングルメントを達成すること。
• 既存の手法が多光子共鳴の微調整を必要としているという制限を克服すること。
• 設計された散乱と3レベルダイナミクスを活用して、最大エンタングルメントを安定化すること。
• 非対称なキュービット-バースト結合が効率的なエンタングルメント生成を可能にすることを実証すること。

提案手法

• 時間周期的ハミルトニアン H_s(t) = H_0 + V(t) を持つ駆動された2キュービット系を用い、V(t) がマイクロ波場によって系を駆動する。
• 系-バースト結合を H_sb = (γ₁σ_z^(1) + γ₂σ_z^(2)) ⊗ B でモデル化し、γ₁ ≠ γ₂ により対称性を破る。
• 周期的駆動下でのオープン量子系ダイナミクスを解くために、フロケ＝ボーン＝マークフ・アプローチを適用する。
• ランドウ＝ツェナー＝シュトゥッケルベルグポンピングと選択的緩和を含む、非共鳴3レベル（O3L）メカニズムに注目する。
• エンタングルメントの尺度としてconcurrenceを用い、1つの駆動周期にわたる平均化された縮約密度行列 ρ(t) から計算する。
• 時間発展を追跡し、定常状態の性質を同定するために、量子マスター方程式を数値的に解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多光子共鳴の微調整なしに、定常状態エンタングルメントを生成できるか？
• RQ2 非対称なキュービット-バースト結合は、駆動され散乱する系におけるエンタングルメント生成にどのように影響するか？
• RQ3 3レベルダイナミクス（LZS干渉を介して）は、高concurrenceを実現するために果たす役割は何か？
• RQ4 強い駆動下において、高速な緩和チャネルが最大エンタングルメントを安定化できるか？

主な発見

• 提案されたメカニズムは、広い駆動振幅範囲にわたり、2キュービットの定常状態concurrenceが1に極めて近い値を達成する。
• 最大エンタングルメントは、3レベルのランドウ＝ツェナー＝シュトゥッケルベルグ干渉プロセスと、非対称なキュービット-バースト結合によって活性化される高速緩和チャネルの組み合わせによって安定化される。
• 従来の手法とは異なり、多光子共鳴の微調整を必要としない。
• キュービット間結合の符号 J が極めて重要である：エンタングルメントは J < 0 のとき最大となり、望ましいエネルギー準位の順序が得られる。
• 駆動が強く共鳴からも離れていても、このメカニズムはパラメータの変動に対して頑健であることを示す。
• 共鳴調整された手法に比べ、定常状態エンタングルメントは顕著に高く、破壊的干渉やデコherenceによる低concurrenceという欠陥を避ける。