[논문 리뷰] Creating Decoherence-Free Subspaces

Lian-Ao Wu, Daniel A. Lidar|arXiv (Cornell University)|2001. 12. 22.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만을 사용하여 빠르고 강한 '뱅-뱅' (BB) 펄스를 구동함으로써 대규모 비위상분해자 하위공간(DFSs)을 생성하는 방법을 제안한다. 모든 시스템 입자가 환경와 동일하게 결합하는 집단적 위상분해자 특성을 설계함으로써, 이 방법은 DFSs에서 보편적이고 고장내기 내성인 양자 계산을 가능하게 하며, 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만으로도 이러한 능력이 충분하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We give explicit sequences of strong and fast (``bang-bang'', BB) pulses that create the conditions allowing for the existence of large decoherence-free subspaces (DFSs). One such example is the creation of collective decoherence, wherein all system particles are coupled in an identical manner to their environment. The BB pulses needed for this are generated using only the Heisenberg exchange interaction. In conjunction with previous results, this shows that Heisenberg exchange is all by itself an enabler of universal fault tolerant quantum computation on DFSs.

연구 동기 및 목표

• 열린 양자 시스템에서 대규모 비위상분해자 하위공간(DFSs)을 생성하기 위한 방법을 개발하는 것.
• 확장 가능한 양자 시스템에서 환경에 의한 위상분해자로부터 양자 정보를 보호하는 데 도전하는 문제를 다루는 것.
• 비위상분해자 하위공간 생성에 필요한 뱅-뱅 펄스를 생성하는 데에 오직 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만이 필요하다는 것을 입증하는 것.
• 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만으로도 DFSs에서 보편적이고 고장내기 내성인 양자 계산이 가능하다는 것을 확립하는 것. 이는 이전의 이론적 결과와 일치한다.

제안 방법

• 위상분해자를 억제하기 위해 강력하고 빠른 뱅-뱅(BB) 펄스의 명시적 시퀀스를 설계하는 것.
• 필요한 BB 펄스를 생성하기 위해 오직 히젠베르크 스핀 교환 상호작용을 사용하는 것.
• 모든 시스템 입자가 환경와 동일하게 결합하도록 하여 집단적 위상분해자 특성을 설계하는 것.
• 집단적 위상분해자에 의해 유도되는 대칭성을 활용하여 대규모 DFSs를 안정화하는 것.
• 기존의 고장내기 내성 양자 계산 이론 프레임워크와 펄스 시퀀스를 결합하는 것.
• 모든 프로토콜이 추가 제어 자원이나 상호작용 없이 오직 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만으로도 실현 가능하다는 것을 입증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만으로도 대규모 비위상분해자 하위공간을 생성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 특정한 뱅-뱅 펄스 시퀀스가 집단적 위상분해자를 유도하여 DFSs를 안정화할 수 있는가?
• RQ3 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만으로도 DFSs에서 보편적이고 고장내기 내성인 양자 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ4 히젠베르크 스핀 교환 상호작용을 통해 생성된 BB 펄스가 다체계에서 환경에 의한 위상분해자를 어떻게 억제하는가?
• RQ5 대칭적 결합은 어떻게 설계된 동역학을 통해 대규모 DFSs를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만을 사용하여 명시적인 뱅-뱅 펄스 시퀀스를 구성함으로써 대규모 비위상분해자 하위공간을 생성할 수 있는 조건을 마련하였다.
• 이 펄스들은 모든 시스템 입자가 환경와 동일하게 결합하는 집단적 위상분해자를 성공적으로 유도하여 DFS를 안정화시켰다.
• 히젠베르크 스핀 교환 상호작용 이외의 추가 제어 필드나 상호작용이 필요로 하지 않으며, 대규모 DFSs를 생성할 수 있었다.
• 결과적으로 히젠베르크 스핀 교환 상호작용만으로도 DFSs에서 보편적이고 고장내기 내성인 양자 계산이 가능하다는 것이 입증되었다.
• 이 방법은 이전의 이론적 프레임워크와 호환되며, 오직 교환 상호작용만을 사용하는 고장내기 내성 양자 계산의 그림을 완성한다.