[論文レビュー] Nitrogen-Vacancy Center as Open-Quantum-System Simulator

Chao Lei, Shijie Peng+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 56被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、環境に起因するデ coherent 状態の制御に特化したハイブリッド量子シミュレーション手法を提案している。この手法では、デ coherent を欠陥としてではなく、制御可能なリソースとして扱う。デジタル量子制御とアナログ的系-環境結合を組み合わせることで、異なる非対角密度行列要素のコherency 時間を精密に調整可能であり、NV中心における開放量子系ダイナミクスの実験的に実現可能な制御を示している。

ABSTRACT

Quantum mechanical systems lose coherence through interactions with external environments---a process known as decoherence. Although decoherence is detrimental for most of the tasks in quantum information processing, a substantial degree of decoherence is crucial for boosting the efficiency of quantum processes, for example, in quantum biology. The key to the success in simulating those open quantum systems is therefore the ability of controlling decoherence, instead of eliminating it. Here we focus on the problem of simulating quantum open systems with Nitrogen-Vacancy centers, which has become an increasingly important platform for quantum information processing tasks. Essentially, we developed a new set of steering pulse sequences for controlling various coherence times of Nitrogen-Vacancy centers; our method is based on a hybrid approach that exploits ingredients in both digital and analog quantum simulations to dynamically couple or decouple the system with the physical environment. Our numerical simulations, based on experimentally-feasible parameters, indicate that decoherence of Nitrogen-Vacancy centers can be controlled externally to a very large extend.

研究の動機と目的

• デ coherent を抑制するのではなく制御することによって、開放量子系をシミュレートする手法を開発すること。
• 従来のダイナミカルデカップリングが系の純度を維持することを目的としているのを補完し、制御されたデ coherent を設計することによってその制限を克服すること。
• 実験的に実現可能なパルスシーケンスを用いて、NV中心における異なる非対角密度行列要素のコherency 時間を外部から制御可能にすること。
• ハイブリッドデジタル-アナログ制御を用いることで、NV中心がスケーラブルなプラットフォームとして開放量子系をシミュレート可能であることを実証すること。

提案手法

• 本手法は、デジタル量子シミュレーション（ユニタリ操作を介して）とアナログ的系-環境結合（ハミルトニアンの時間発展を介して）を組み合わせたハイブリッドアプローチを採用する。
• スワップゲート（u_ij）と時間発展演算子（e^{-iH_SBT}）のシーケンスを用いて、特定の非対角密度行列要素に対する有効なデ coherent レートを設計する。
• パルスシーケンスの構造は、∏_{i<j} u_ij ∏_{i<j} [e^{-iH_SBT_ij} u_ij] e^{-iH_SBT_0} e^{-i(H_S+H_SB)Δt} と定義され、待ち時間 t_ij および t_0 を調整可能である。
• 非対角要素 ρ_ij(t) のコherency 時間 T₂^ij は、T₂^ij = √2 / (σ_b |c_ij(λ, μ₁, μ₂)|) として解析的に導出され、c_ij はパルスタイミングパラメータに依存する。
• 本手法はトレッター分解を活用して時間発展を近似可能であり、異なる遷移チャネルごとに独立したデ coherent の制御が可能である。
• パルスシーケンスをすべてのレベルペアに拡張することで、d次元系（d ≥ 4）に対しても一般化可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV中心におけるデ coherent を外部から制御することで、開放量子系ダイナミクスをシミュレート可能か？
• RQ2 特定の非対角密度行列要素のコherency 時間を独立に調整可能なパルスシーケンスを設計可能か？
• RQ3 内在的な環境相互作用を、問題ではなくリソースとして利用可能か？
• RQ4 ハイブリッドデジタル-アナログアプローチが、NV中心における開放系ダイナミクスを精密に制御可能か？

主な発見

• |1⟩↔|0⟩遷移のコherency 時間 T₂^12 は、パrameter μ₁ および μ₂ を調整することで延長可能であり、μ₁ および μ₂ が λ に近づくと最適制御が観察された。
• |1⟩↔|-1⟩遷移では、μ₁ および μ₂ が λ に近づくと T₂^13 が急激に増加し、このコherency チャネルの強い調整可能性が示された。
• |0⟩↔|-1⟩遷移のコherency 時間 T₂^23 はパrameter の変化に対して比較的安定しており、異なる遷移に対する選択的制御が可能であることが示された。
• 数値シミュレーションにより、3つのコherency 時間がすべて、デカップリングパルスのタイミングパラメータのみを用いて広範囲にわたって独立して調整可能であることが確認された。
• 本手法は追加のアーキテクチャqubit を必要とせず、標準的なデジタル開放系シミュレーション手法とは明確に区別される。
• 本スキームは、現在のNV中心技術を用いて実験的に実現可能であり、σ_b や Δt といったパラメータは現実的な値に設定可能である。