[논문 리뷰] Detecting Non-Markovianity via Quantified Coherence: Theory and Experiments

Kang‐Da Wu, Zhibo Hou외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 08.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 35인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 개방 양자 시스템에서 비마르코프성(non-Markovianity)을 탐지하기 위한 새로운 방법을 제안한다. 이 방법은 양자 비편재성 기반 상대 엔트로피(Quantified Coherence-based Relative Entropy of Coherence, QI-REC)를 사용하며, 마르코프성 동역학에서는 단조 감소를 보이고 비마르코프성 동역학에서는 비단조적 행동을 보인다. 저자들은 CP-가분성과 QI-REC의 단조성 간 이론적 연관성을 제시하고, 전적으로 광학적 장치를 사용한 실험을 통해 QI-REC가 정보 역류를 정확히 포착하고 비마르코프 과정에서 비편재성을 증가시키는 것을 입증한다. 이는 일반적인 양자 진화에 적용 가능한 기저에 종속되지 않고도 강건한 탐지 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

The dynamics of open quantum systems and manipulation of quantum resources are both of fundamental interest in quantum physics. Here, we investigate the relation between quantum Markovianity and coherence, providing an effective way for detecting non-Markovianity based on the extit{quantum-incoherent relative entropy of coherence} ($\mathcal{QI}$ REC). We theoretically show the relation between completely positive (CP) divisibility and the monotonic behavior of the $\mathcal{QI}$ REC. Also we implement an all-optical experiment to demonstrate that the behavior of the $\mathcal{QI}$ REC is coincident with the entanglement shared between the system and the ancilla for both Markovian and non-Markovian evolution; while other coherence-based non-Markovian information carriers violate monotonicity, even in Markovian processes. Moreover, we experimentally observe that non-Markovianity enhances the ability of creating coherence on an ancilla. This is the first experimental study of the relation between dynamical behavior of the $\mathcal{QI}$ REC and the phenomenon of information backflow. Moreover, our method for detecting non-Markovianity is applicable to general quantum evolutions.

연구 동기 및 목표

• 양자 마르코프성과 양자 비편재성의 동역학적 행동, 특히 QI-REC 간의 관계를 수립하기 위해.
• 기존의 비편재성 기반 비마르코프성 측정법의 한계를 해결하기 위해, 기저 선택에 의존하고 일반적인 진화에서 비마르코프성을 탐지하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• QI-REC를 사용하여 기저에 종속되지 않고 실험적으로 구현 가능한 비마르코프성 탐지 방법을 개발하여 위상 오차에 대해 강건하게 유지하기 위해.
• 비마르코프성 동역학이 앤실라에서 비편재성 생성 능력을 향상시키고, QI-REC 행동이 시스템-앤실라 얽힘과 정보 역류와 관련이 있음을 실험적으로 검증하기 위해.
• 실세계 광학 양자 플랫폼에서 QI-REC 기반 방법이 마르코프성 및 비마르코프성 양자 진화 모두에 적용 가능하다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 이론적 분석을 통해 CP-가분성(마르코프성) 동역학은 QI-REC의 단조 감소를 유도하고, 비마르코프성 동역학은 비단조적 행동을 초래함을 확인한다.
• QI-REC는 시스템과 앤실라 간의 상대 엔트로피 비편재성으로 정의되며, 비편재적 운영 하에서 시스템-앤실라 이중 상태의 비편재성을 측정한다.
• 편광으로 인코딩된 광자 큐비트를 사용한 전적으로 광학적 실험을 구현하여, 제어된 환경 결합을 통해 마르코프성 및 비마르코프성 디포즈 과정을 시뮬레이션한다.
• 20°에서 설정된 반파장판을 사용해 위상 보정을 수행하여 불필요한 동역학적 위상 효과를 보완함으로써 비편재성 측정의 정확성을 확보한다.
• 웨이브 플레이트와 편광 분리기를 사용한 양자 상태 단층촬영을 수행하여 밀도 행렬을 재구성하고, QI-REC 및 기타 비편재성 측정법의 직접 계산을 가능하게 한다.
• QI-REC의 동역학을 시스템-앤실라 간 얽힘 동역학과 비교하여 검증하였으며, 비마르코프성 진화에서 강한 일치를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마르코프성 동역학 하에서 QI-REC는 단조적 행동을 보이며 비마르코프성 동역학 하에서는 비단조적 행동을 보이는가?
• RQ2 QI-REC는 일반적인 양자 진화에서 비마르코프성을 탐지하기 위한 기저에 종속되지 않는 측정법이 될 수 있는가?
• RQ3 QI-REC는 시스템과 앤실라 간의 정보 역류 및 얽힘 동역학과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 기타 비편재성 기반 측정법에 비해 QI-REC는 실험적 위상 오차에 대해 더 강건한가?
• RQ5 비마르코프성 동역학이 앤실라에서 비편재성을 생성하는 능력을 향상시키며, QI-REC로 측정된 바와 같이 증가하는가?

주요 결과

• 마르코프성 동역학 하에서 QI-REC는 단조 감소를 보이며, CP-가분성과 일치하고 정보 역류가 없는 것을 확인한다.
• 비마르코프성 동역학 하에서 QI-REC는 비단조적 행동을 보이며, 정보 역류와 시스템-앤실라 간 얽힘 복귀와 직접적으로 관련이 있다.
• 기타 비편재성 기반 측정법, 예를 들어 국소 비편재성과 표준 상대 엔트로피 비편재성은 마르코프성 과정에서도 단조성 위반을 보이며 QI-REC의 우수성을 강조한다.
• QI-REC는 시스템-앤실라 상관관계에 의존하므로 위상 오차에 대해 실험적으로 강건한 반면, 국소 비편재성 측정법은 위상 이격에 민감하여 그렇지 않다.
• 비마르코프성 과정은 앤실라에서 비편재성 생성 능력을 향상시키며, QI-REC 증가로 증명된다. 이는 정보 복구의 역할을 함을 보여준다.
• 실험 결과 QI-REC는 개방 양자 시스템에서 비마르코프성을 신뢰할 수 있고, 기저에 종속되지 않으며 실험적으로 실현 가능한 지표임을 확인한다.