[論文レビュー] Multipartite quantum correlations and coherence dynamics subjected to classical environments and fractional Gaussian noise

Atta Ur Rahman, Muhammad Javed+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、分数ガウスノイズを有する古典的環境下における4キュービットGHZ状態のもつれとコherenceのダイナミクスを調査し、4つの結合スキームを分析している。パラメータ最適化により、共通または二部結合の下でもつれの保存が顕著に向上し、ノイズ誘発の突然死や再発現が完全に抑制され、ハーストパラメータを増加させることで崩壊が遅れ、GHZ状態が量子情報処理に対して頑健であることが示された。

ABSTRACT

We address the dynamical map of entanglement and coherence in a four qubit maximally entangled GHZ states coupled with classical environments driven by fractional Gaussian noise. The system-environment coupling is assumed in four different schemes: common, bipartite, tripartite, and independent system-environment configuration. We show that entanglement preservation can be modeled in multipartite GHZ-like states using parameter optimization in the current local environments except for the independent configuration. The decay is characterized by monotonous functions in time and the exact fluctuating behaviour of the local fields, as well as entanglement sudden death and birth revivals, are completely suppressed. Not only noise, but also the nature of qubit-environment coupling and the number of independent environments coupled, have dephasing effects on the entanglement and coherence preservation. Furthermore, as the Hurst parameter of fractional Gaussian noise is increased, the decay becomes delayed initially. Finally, the four-qubit GHZ state is found to be a good resource for quantum information processing that can withstand noise dissipation, particularly under a common noise source.

研究の動機と目的

• 4キュービットGHZ状態の多粒子もつれおよび量子コherenceのダイナミクス的挙動を、古典的ノイズ環境下で調査すること。
• 共通、二部、三部、独立の4つの異なる系-環境結合構成がもつれおよびコherenceの保存に与える影響を検討すること。
• 分数ガウスノイズ下での量子相関の崩壊ダイナミクスを調整するハーストパラメータの役割を特定すること。
• 現実的なノイズ条件下におけるGHZ状態が量子情報処理リソースとしての頑健性を評価すること。

提案手法

• 4キュービットGHZ状態が分数ガウスノイズを有する古典的環境と結合する際の系-環境相互作用を、動的マップを用いてモデル化すること。
• 共通、二部、三部、独立の4つの異なる結合スキームを比較し、もつれおよびコherenceに与える影響を分析すること。
• 独立な構成を除き、局所環境におけるパラメータ最適化を用いてもつれの保存を向上させること。
• 時間に依存する関数を用いてもつれの崩壊を特徴付け、突然死や再発現の現象が見られない単調な挙動を示すこと。
• 分数ガウスノイズの相関構造を調整する制御パラメータとしてハーストパラメータを導入すること。
• マスター方程式の正確な解析解を適用し、量子相関およびコherenceの時間発展を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系-環境結合構成の選択が、4キュービットGHZ状態におけるもつれおよびコherenceの保存にどのように影響するか？
• RQ2 局所環境におけるパラメータ最適化が、多粒子系におけるもつれの突然死や再発現ダイナミクスを抑制できるか？
• RQ3 分数ガウスノイズ下でハーストパラメータが量子相関の崩壊速度に与える影響は何か？
• RQ4 キュービット-環境結合の性質および独立環境の数がデコherence効果に与える影響はどの程度か？
• RQ5 どのような条件下で4キュービットGHZ状態が古典的ノイズ下でも量子情報処理の有効なリソースとして維持されるか？

主な発見

• パラメータ最適化により、共通および二部結合スキームでもつれの保存が効果的に向上するが、独立結合では崩壊が抑制されない。
• もつれおよびコherenceの崩壊は時間とともに単調に進行し、もつれの突然死や再発現現象は発生しない。
• 分数ガウスノイズのハーストパラメータを増加させることで、崩壊の発生が遅れ、記憶に類似した効果が量子相関の長期間保存を可能にする。
• 独立環境の数および結合構造はデコherenceに顕著な影響を及ぼし、より分散化された結合構成で強いデコherenceが観察される。
• 4キュービットGHZ状態はノイズ散逸に対して頑健であり、特に共通ノイズ源にさらされた場合に顕著な特徴を示し、量子情報タスクに有望なリソースである。