[論文レビュー] Universally shortcuts to adiabatic passage for generation of Greenberger-Horne-Zeilinger states by transitionless quantum driving

Ye‐Hong Chen, Yan Xia+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2014

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、遷移なし量子駆動と量子ゼノダイナミクス、非共鳴レーザーを組み合わせることで、3原子系におけるグリーナーバーガー＝ホーン＝ジーリング（GHZ）状態を高速かつロバストに生成する手法を提案する。遷移なしの断熱的通過へのショートカットを構築することで、断熱的過程に比べて著しく短い時間で高精度なGHZ状態の準備が可能となり、デ coherent と操作誤差に対して耐性を示す。

ABSTRACT

Berry's approach on quantum driving shows how to set a Hamiltonian which drives the dynamics of a system along instantaneous eigenstates of a reference Hamiltonian to reproduce the same final result of an adiabatic process in a shorter time. In this paper, motivated by transitionless quantum driving, we construct shortcuts to adiabatic passage in a three-atom system to create the Greenberger-Horne-Zeilinger states with the help of quantum Zeno dynamics and of non-resonant lasers. The influence of various decoherence processes is discussed by numerical simulation and the result proves that the scheme is fast and robust against decoherence and operational imperfection.

研究の動機と目的

• エンタングルド・グリーナーバーガー＝ホーン＝ジーリング（GHZ）状態を準備する従来の断熱的プロセスの遅さを克服すること。
• 実際の量子状態準備において、精度を制限するデ coherent と操作上の不備を軽減すること。
• 断熱的状態準備を高速化しつつ最終状態の精度を維持するショートカットベースのアプローチを開発すること。
• 量子ゼノダイナミクスと非共鳴レーザーを統合して、状態生成プロトコルの制御性と安定性を向上させること。

提案手法

• ベリーの遷移なし量子駆動フレームワークを採用し、基準ハミルトニアンの瞬間固有状態に沿って系を駆動するハミルトニアンを設計する。
• 不要な遷移を抑制し、進化中の目的状態の安定性を高めるために、量子ゼノダイナミクスを実装する。
• 原子間の相互作用を媒介し、系のダイナミクスを正確に制御できるように非共鳴レーザーを用いる。
• 断熱的過程に必要な遅い進化を排除しつつ、断熱的過程の最終状態を維持する、断熱的通過へのショートカットを構築する。
• 望ましいGHZ状態への高速かつ正確な進化を保証するため、有効ハミルトニアンと制御場を定式化する。
• 現実のデ coherent と操作上の不備モデル下での性能を評価するために、数値シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移なし量子駆動は、高精度なGHZ状態を生成するために、3原子系に効果的に適用可能か？
• RQ2 量子ゼノダイナミクスと非共鳴レーザーの組み合わせは、GHZ状態準備のロバスト性をどのように向上させるか？
• RQ3 標準的な断熱的プロトコルと比較して、提案手法はデ coherent と操作誤差をどの程度軽減するか？
• RQ4 このショートカットアプローチを用いて高精度なGHZ状態生成に必要な最小進化時間はどの程度か？
• RQ5 提案手法における実際のノイズと制御上の不備下で、系の精度はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 提案手法は、従来の断熱的プロセスと比較して、著しく短い時間でグリーナーバーガー＝ホーン＝ジーリング状態を高精度に準備できる。
• 数値シミュレーションにより、この手法が、自発的放出や位相ずれなどのさまざまなデ coherent プロセスに対してもロバストであることが確認された。
• 量子ゼノダイナミクスの統合により、不要な遷移が効果的に抑制され、進化中の状態安定性が向上した。
• 非共鳴レーザーは、不要な遷移を誘発せずに原子間の有効な結合を可能にし、制御精度を向上させた。
• 操作上の不備に対しても高精度を維持できることから、実験的実装における実用可能性が示された。
• ショートカットベースのアプローチは、断熱的進化の最終状態を効果的に再現しつつ、必要な進化時間を著しく短縮した。