[論文レビュー] Speeding up gate operations through dissipation

Almut Beige, Hugo Cable+2 more|ArXiv.org|May 30, 2004

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、原子キャビティ系における量子ゲート操作の高速化に、制御された散逸—具体的には励起状態からの自発的崩壊とキャビティ光子の損失—を用いる手法を提案する。散逸支援アディアバティック通過を活用することで、著者らは、アディアバティック領域におけるものと比較して、おおよそ2倍速い速度で制御位相ゲートおよびSWAPゲートを実行できることを示した。有限の崩壊率を有しても、ゲートの保証精度は99％以上、成功確率は90％近くに達する。

ABSTRACT

It is commonly believed that decoherence is the main obstacle to quantum information processing. In contrast to this, we show how decoherence in the form of dissipation can improve the performance of certain quantum gates. As an example we consider the realisations of a controlled phase gate and a two-qubit SWAP operation with the help of a single laser pulse in atom-cavity systems. In the presence of spontaneous decay rates, the speed of the gates can be improved by a factor 2 without sacrificing high fidelity and robustness against parameter fluctuations. Even though this leads to finite gate failure rates, the scheme is comparable with other quantum computing proposals.

研究の動機と目的

• 散逸（一般的には悪影響と見なされるが）が、量子計算におけるゲート操作速度の向上に活用可能かどうかを調査すること。
• 捕獲された原子-キャビティ系において、特にアディアバティック量子ゲート操作における速度と精度のトレードオフを解消すること。
• 有限の崩壊率が非アディアバティックダイナミクスを安定化させ、高い精度と耐障害性を維持できることを示すこと。
• 散逸支援アディアバティック通過が、性能を犠牲にすることなく、より高速なゲート操作を可能にすることを示すこと。
• パrameterの変動に強く、実験的に実現可能な、1本のレーザーパルスによる2量子ビットゲートの実用的かつ実現可能な手法を提供すること。

提案手法

• 系は、高品質因数の光学キャビティ内に閉じ込められたΛ型の三準位原子を用い、基底状態および励起状態へのレーザー結合を実施する。
• 回転波近似および励起状態のアディアバティック消去を適用することで、有効ハミルトニアンが導出され、条件付き位相ゲートまたはSWAPゲートハミルトニアンが得られる。
• 散逸は、キャビティ減衰率κおよび原子の自発的放出率Γを用いたリンドブラッドマスター方程式でモデル化される。
• 光子数0状態のサブスペースの時間発展を数値的に解き、非アディアバティック条件下での基底状態マニフォールドのダイナミクスに注目する。
• ゲート操作は、Rabi周波数プロファイルΩ₀(t) = 2Ω_max sin²(½Ω_max t) を持つ1本のレーザーパルスにより実装され、全時間T = 2π/Ω_maxが保証される。
• 条件付きハミルトニアン下での初期ベル状態|00⟩および|01⟩の時間発展をシミュレートし、精度と成功確率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散逸を用いることで、精度を損なうことなく量子ゲート操作を高速化できるか？
• RQ2 有限の崩壊率が、量子ゲート操作における非アディアバティックダイナミクスをどの程度安定化できるか？
• RQ3 非アディアバティック性と散逸の相互作用が、ゲートの精度と成功確率にどのように影響するか？
• RQ4 1本のレーザーパルス方式が、パrameterの変動に強く、高精度な2量子ビットゲートを実現できるか？
• RQ5 散逸支援アディアバティック通過の性能は、標準的なアディアバティック方式と同等か、それ以上か？

主な発見

• 制御位相ゲートは、標準的なアディアバティック方式の2倍の速度で動作可能であり、κ = 0.1gおよびΓ = 0.016gの条件下で、ゲート精度が99％以上、成功確率が90％に達する。
• SWAPゲートに対しても同様の性能が達成され、1/T = 0.04g、κ = 0.1g、Γ = 0.016gの条件下で、精度は99％を超えるとともに、成功確率も90％を超える。
• 最適なゲート速度は1/T = 0.065gで、非アディアバティック誤差と散逸による補正のバランスが取れ、成功確率が最大の90％に達する。
• 有限の崩壊率（Γ > 0）が励起状態|a⟩への非アディアバティックな励起を補正し、アディアバティック領域外でも安定した動作を可能にする。
• Rabi周波数および周波数オフセットの変動に対してもゲート性能がほとんど変化しないため、パrameterの変動に対して耐障害性を示す。
• 両ゲートの有効ハミルトニアンは、アディアバティック消去の下で導出され、光子数0サブスペースにおける所望のユニタリ操作を実現する条件付き時間発展を生じる。