[論文レビュー] Spatially correlated classical and quantum noise in driven qubits: The good, the bad, and the ugly

Ji Zou, Stefano Bosco+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2023

Quantum Computing Algorithms and ArchitectureComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、駆動された2キュービット系における空間的に相関する古典的および量子的ノイズの理論的分析を提示し、古典的ノイズは相関するデcohエレンスしか引き起こさないのに対し、量子的ノイズはイジング相互作用やジャローシュチェンスキー＝モリヤ相互作用などのコヒーレント相互作用を通じて長距離もつれを生成できることを明らかにしている。顕著な点として、低温でコヒーレント駆動がなされる状況では、相関する量子的ノイズが要求に応じて長期間にわたるもつれを誘発するが、$1/f$ノイズの時間的相関は、失われたもつれでさえ回復させる可能性がある。

ABSTRACT

Correlated noise across multiple qubits poses a significant challenge for achieving scalable and fault-tolerant quantum processors. Despite recent experimental efforts to quantify this noise in various qubit architectures, a comprehensive understanding of its role in qubit dynamics remains elusive. Here, we present an analytical study of the dynamics of driven qubits under spatially correlated noise, including both Markovian and non-Markovian noise. Surprisingly, we find that, while correlated classical noise only leads to correlated decoherence without increasing the quantum coherence in the system, the correlated quantum noise can be exploited to generate entanglement. In particular, we reveal that, in the quantum limit, pure dephasing noise induces a coherent long-range two-qubit Ising interaction that correlates distant qubits. In contrast, for purely transverse noise when qubits are subjected to coherent drives, the correlated quantum noise induces both coherent symmetric exchange and Dzyaloshinskii-Moriya interaction between the qubits, as well as correlated relaxation, both of which give rise to significant entanglement. Remarkably, in this case, we uncover that the system exhibits distinct dynamical phases in different parameter regimes. Finally, we reveal the impact of spatio-temporally correlated 1/f noise on the decoherence rate, and how its temporal correlations restore lost entanglement. Our analysis not only offers critical insights into designing effective error mitigation strategies to reduce harmful effects of correlated noise, but also enables tailored protocols to leverage and harness noise-induced correlations for quantum information processing.

研究の動機と目的

• 空間的に相関する古典的および量子的ノイズが駆動されたキュービット系における多キュービットダイナミクスに与える影響を理解すること。
• 相関するノイズの悪影響（デcohエレンス）と有益な影響（もつれ生成）を区別すること。
• 相関するノイズを用いて量子プロセッサでもつれを生成および維持できる条件を同定すること。
• 温度、駆動、およびノイズスペクトル相関（例：$1/f$）がデcohエレンスおよびもつれダイナミクスをどのように制御するかを分析すること。

提案手法

• 空間的に相関するノイズ下での2キュービットダイナミクスの一般化されたマスター方程式フレームワークを構築し、古典的ノイズと量子的ノイズの成分を区別する。
• マーカフ的および非マーカフ的領域におけるノイズスぺクトル密度を導出する。$1/f$ノイズに時間的相関を含む。
• 回転フレーム変換を導入し、時間に依存するハミルトニアンを用いてキュービットのコヒーレント駆動をモデル化する。
• 密度行列要素を用いてもつれの時間発展を追跡するため、特定の初期状態（ベル状態および積状態）に対してマスター方程式を解く。
• 密度行列成分 $G_{11}, G_{44}, y(t)$ から導出されるconcurrence測度を用いてもつれを評価する。
• 古典的および量子的ノイズの振幅を結びつける熱的要因 $\alpha = e^{-\beta\hbar\Omega}$ を用いて温度の役割を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に相関する量子的ノイズは、駆動された2キュービット系でもつれを生成できるか？
• RQ2 相関する古典的ノイズはデcohエレンスにどのように影響し、もつれを誘発できるか？
• RQ3 $1/f$ノイズの時間的相関は、失われたもつれを回復させる役割を果たすか？
• RQ4 温度およびコヒーレント駆動は、デcohエレンスともつれ生成のバランスにどのように影響するか？
• RQ5 駆動下で、空間的に相関する横方向量子的ノイズが存在する場合、どのようなダイナミカルフェーズが出現するか？

主な発見

• 相関する量子的ノイズは、純粋な位相デcohエレンス限界において、もつれを生じるコヒーレントな長距離イジング相互作用を誘発する。
• 横方向ノイズとコヒーレント駆動の下では、相関する量子的ノイズが対称的交換相互作用およびジャローシュチェンスキー＝モリヤ相互作用を生成し、顕著なもつれを生じる。
• 特に横方向ノイズと駆動が存在する状況では、パrameterのレジームに応じて明確に異なるダイナミカルフェーズが現れる。
• ベル状態を初期状態とした場合、相関する量子的ノイズ下での最終もつれは、量子限界で最大値1/2に達する。
• $1/f$ノイズの時間的相関は、そうでなければ減衰するもつれを、コヒーレントな再生効果により回復させる。
• 驚くべきことに、高温では相関するノイズによるクロストークが減少し、特定のノイズタイプに対して直感に反する誤り低減戦略が有効であることが示唆される。