[논문 리뷰] An Open-System Quantum Simulator with Trapped Ions

Julio T. Barreiro, Markus G. Mueller외 8명|RePEc: Research Papers in Economics|2011. 04. 06.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온을 사용하여 개방 양자 시스템을 시뮬레이션하기 위한 첫 번째 실험적 도구상자를 구현한다. 이는 일관된 다중 큐비트 게이트와 광학 펌프를 통한 공학적 비탄성과 결합된 것으로, 얽힌 상태(예: 벨 상태 및 GHZ 상태)의 비탄성 준비, 다중 스팟 스핀 상호작용, 5큐비트 시스템에서의 다중큐비트 관측량에 대한 양자 비파괴 측정을 달성하여, 통제 가능한 개방계 양자 시뮬레이션의 기초를 마련한다.

ABSTRACT

The control of quantum systems is of fundamental scientific interest and promises powerful applications and technologies. Impressive progress has been achieved in isolating the systems from the environment and coherently controlling their dynamics, as demonstrated by the creation and manipulation of entanglement in various physical systems. However, for open quantum systems, engineering the dynamics of many particles by a controlled coupling to an environment remains largely unexplored. Here we report the first realization of a toolbox for simulating an open quantum system with up to five qubits. Using a quantum computing architecture with trapped ions, we combine multi-qubit gates with optical pumping to implement coherent operations and dissipative processes. We illustrate this engineering by the dissipative preparation of entangled states, the simulation of coherent many-body spin interactions and the quantum non-demolition measurement of multi-qubit observables. By adding controlled dissipation to coherent operations, this work offers novel prospects for open-system quantum simulation and computation.

연구 동기 및 목표

• 제어 가능한 시스템-환경 결합을 갖춘 확장 가능한 실험 플랫폼을 개발하여 개방 양자 시스템을 시뮬레이션하는 것.
• 트랩된 이온을 사용하여 다중큐비트 시스템에서 일관된 동역학과 비탄성 동역학을 모두 공학적으로 실현하는 것.
• 임의의 초기 상태에서부터도 벨 상태 및 GHZ 상태와 같은 얽힌 상태의 비탄성 준비를 실현하는 것.
• 비파괴적 읽기로 사용 가능한 다중큐비트 안정자 관측량에 대한 양자 비파괴 측정을 구현하는 것.
• 환경 측정에서의 피드백을 통한 폐쇄형 루프 양자 시뮬레이션 및 오류 수정을 위한 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 최대 5큐비트의 트랩된 이온 양자 컴퓨팅 아키텍처를 사용하며, 이온을 시스템과 환경으로 분할한다.
• 일관된 진동을 위한 보편 양자 게이트(단일 및 이중큐비트 연산)와 공학적 비탄성을 위한 광학 펌프를 사용한다.
• 시스템을 목표 얽힌 상태로 유일한 안착점으로 이끄는 작용 요소 {E_k}를 사용하여 비탄성 맵을 구성한다.
• 보조 큐비트에 n체 관측량을 일관적으로 매핑하고, 시스템의 초위상이 붕괴되지 않도록 측정함으로써 양자 비파괴 측정을 수행한다.
• 상태 준비 및 측정의 정밀도를 특성화하기 위해 양자 과정 토모그래피를 사용한다.
• 일관된 연산과 비탄성 과정을 조합하여 일반적인 비유니터리 개방계 동역학을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 조건과 관계없이 다중큐비트 시스템에서 제어 가능한 비탄성을 공학하여 특정 얽힌 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ2 트랩된 이온 양자 시뮬레이터에서 일관된 n체 스핀 상호작용을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 보조 큐비트를 사용하여 다중큐비트 관측량을 얼마나 비파괴적으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 일관된 동역학과 비탄성 동역학의 상호작용이 일반적인 개방계 진동을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 환경 측정에서의 피드백을 통해 어떻게 폐쇄형 루프 양자 시뮬레이션을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 2+1 이온 시스템에서 벨 상태의 비탄성 준비가 73(1)%의 정밀도로 달성되어, 완전히 혼합된 상태에서 목표 얽힌 상태로의 펌프를 증명하였다.
• 4+1 이온 시스템에서 4큐비트 GHZ 상태가 비탄성으로 준비되었으며, 키타에프의 토릭 코드의 최소 사례를 나타낸다.
• 일관된 4스핀 상호작용이 다체 스핀 해밀토니안의 기본 구성 요소로서 실현되었다.
• 4큐비트 안정자 연산자 $X_1X_2X_3X_4$에 대한 양자 비파괴 측정이 안정자 고유상태에서 96.9(6)%의 정밀도로 실현되었다.
• 시스템은 고유공간 내의 초위상을 유지하면서 n체 관측량의 비파괴적 읽기 기능을 구현하였다.
• 일관된 진동과 공학적 비탄성을 조합하여 일반적인 개방계 동역학을 시뮬레이션하는 완전한 도구상자가 실험적으로 검증되었다.