[論文レビュー] Improving the coherence time of a quantum system via a coupling with an unstable system

Yuichiro Matsuzaki, Xiaobo Zhu+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2014

Quantum optics and atomic interactions参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、不安定な超伝導フラックスキュービットと結合させることで、ダイヤモンド中の窒素空位（NV）センターのコherences時間の延長を、直観に反する方法で提案する。ハイブリダイゼーションを通じて、暗状態が出現し、その状態はNVセンター単体よりも著しく長いコherencesを示す。たとえフラックスキュービットのコherences時間（T2）が数100ナノ秒程度であっても、量子情報処理のための長寿命キュービットを、能動的エラー補正や正確なパルス制御を要せず、被動的かつ頑健に実現する道筋を提供する。

ABSTRACT

Here, we propose a counter-intuitive use of a hybrid system where the coherence time of a quantum system is actually improved via a coupling with an unstable system. If we couple a two-level system with a single NV center, then a dark state of the NV center naturally forms after the hybridization. We show that this dark state becomes robust against environmental fluctuations due to the coupling even when the coherence time of the two-level system is much shorter than that of the NV center. Our proposal opens a new way to use a quantum hybrid system for the realization of robust quantum information processing

研究の動機と目的

• 量子情報処理における応用を制限するNVセンターのような量子系における短いコherences時間という根本的課題に対処すること。
• 安定な量子系（NVセンター）と不安定な系（例：超伝導フラックスキュービット）を結合させることで、逆説的にコherencesが向上するかを検討すること。
• NVセンターと不安定な系とのハイブリダイゼーションによって形成される暗状態が、環境ノイズに対して頑健であることを示すこと。
• アクティブなエラー補正や正確なパルス制御を要しない、実現可能な被動的プロトコルを提案し、コherences時間を延長すること。
• 一方の成分が不安定であっても、もう一方の成分の安定性が向上するという、量子ハイブリッド系の新しいパラダイムを確立すること。

提案手法

• 系は、NVセンター、二準位系（TLS）、およびそれらの磁気的相互作用を含むハミルトニアンでモデル化される。TLSは超伝導フラックスキュービットとして表現される。
• 相互作用ハミルトニアンには、NVセンターのスピンとフラックスキュービットの磁気モーメントの間の磁気双極子-双極子相互作用によるゼーマン結合が含まれる。
• 理論的分析により、NVセンターの基底状態の重ね合わせとして現れる暗状態が、対称性とハイブリダイゼーションのおかげで環境と結合しなくなることが特定された。
• 低周波数の磁気ノイズ下での暗状態のコherences時間は、ガウス重み関数を用いた確率的位相ずれモデルを用いて評価された。
• 数値シミュレーションにより、暗状態の忠実度の減衰が、NVセンター単体のエコー制限コherences時間と比較された。
• このプロトコルは、フラックスキュービットのT2がたった500 nsであっても、暗状態のコherences時間が1 msを超えるなど、頑健であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定な量子系（NVセンター）と不安定な二準位系（例：超伝導フラックスキュービット）を結合させることで、より長寿命な量子状態が得られるか？
• RQ2 ハイブリッド系における暗状態が、個々の構成要素よりも環境による位相ずれに対してどのようにして頑健になるかのメカニズムは何か？
• RQ3 暗状態のコherences時間は、不安定な系のデコherences特性にどのように依存するか？
• RQ4 不安定な系のコherences時間が、NVセンターのそれよりも桁違いに短い場合でも、この効果は観測可能か？
• RQ5 この暗状態を、スケーラブルな量子情報アーキテクチャにおいて制御可能で長寿命なキュービットとして利用するのは現実的か？

主な発見

• NVセンターと超伝導フラックスキュービットを結合させることで形成される暗状態は、フラックスキュービットのT2がたった500 nsであっても、1 msを超えるコherences時間を示す。
• 暗状態のコherences時間は、通常数100マイクロ秒程度のエコー制限コherences時間よりも著しく長く、NVセンター単体よりも優れている。
• コherencesの向上は被動的であり、ダイナミカルデカップリングやスピンエコーなどのアクティブなパルスシーケンスを必要としない。
• 結合系（フラックスキュービット）が極めて不安定であっても、暗状態は安定を保ち続ける。これは、逆説的な頑健性メカニズムを示している。
• 暗状態の忠実度はゆっくりと減衰し、フラックスキュービットのT2が無限大のとき、1/Γ ≈ 1.2 msの減衰率を示し、長寿命なコherencesを示している。
• このメカニズムは、キャビティQEDにおける暗状態とは根本的に異なる。安定性は励起状態を避けることではなく、ハイブリダイゼーションに起因する分離（デカップリング）に由来する。