[논문 리뷰] Efficient steady state entanglement generation in strongly driven coupled qubits

Ana L. Gramajo, Daniel Domı́nguez외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 24.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 72인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 강한 외부 드라이브가 작용하는 결합 초전도 큐비트 시스템에서, 3체 상태에서의 랑도-젠저-슈트클베르크 간섭과 비대칭 큐비트- bath 상호작용을 이용하여 최대 얽힘 고정 상태를 생성하는 메커니즘을 제안한다. 이 방법은 다중 포톤 공진 조정이 필요 없이도 광범위한 드라이브 진폭 범위에서 거의 최대 수준의 콘카르던스(1에 가까움)를 달성하며, 큐비트-큐비트 상호작용의 부호와 빠른 붕괴 채널에 의존한다.

ABSTRACT

We report on a mechanism to optimize the generation of steady-state entanglement in a system of coupled qubits driven by microwave fields. Due to the interplay between Landau-Zener-St\"uckerlberg pumping involving three levels and a subsequent fast relaxation channel, which is activated by tuning the qubits-reservoir couplings, a maximally entangled state can be populated. This mechanism does not require from the fine-tuning of multiphoton-resonances but depends on the sign of the qubit-qubit coupling. In particular, we find that by a proper design of the system parameters and the driving protocol, the two-qubits steady-state concurrence can attain values close to 1 in a wide range of driving amplitudes. Our results may be useful to gain further insight into entanglement control and manipulation in dissipative quantum systems exposed to strong driving.

연구 동기 및 목표

• 강한 드라이브 조건 하에서 개방 양자 시스템에서 강건하고 고정밀도의 고정 상태 얽힘을 달성하기 위해.
• 기존 방법들이 다중 포톤 공진 조정이 필요로 하는 한계를 극복하기 위해.
• 공학된 붕괴와 3체 동역학을 활용하여 최대 얽힘을 안정화하기 위해.
• 비대칭 큐비트-bath 상호작용이 효율적인 얽힘 생성을 가능하게 한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 마이크로파 필드를 통해 드라이브되는 시간 주기적 해밀토니안 H_s(t) = H_0 + V(t)를 갖는 드라이브된 이중 큐비트 시스템을 사용한다.
• 비대칭성을 깨기 위해 γ₁ ≠ γ₂ 조건을 만족하는 H_sb = (γ₁σ_z^(1) + γ₂σ_z^(2)) ⊗ B 형태로 시스템-bath 상호작용을 모델링한다.
• 주기적 드라이브 조건 하에서 개방 양자 시스템의 동역학을 해결하기 위해 플로케트-보른-마르코프 접근법을 적용한다.
• 라운드-젠저-슈트클베르크 펌프와 선택적 붕괴를 포함하는 3체 메커니즘(비공진 3체, O3L)에 초점을 맞춘다.
• 감소된 밀도 행렬 ρ(t)를 한 주기 동안 평균화하여 계산된 콘카르던스를 얽힘의 척도로 사용한다.
• 시간 진동을 추적하고 고정 상태 성질을 식별하기 위해 양자 마스터 방정식을 수치적으로 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 포톤 공진 조정 없이도 고정 상태 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 비대칭 큐비트-bath 상호작용은 강한 드라이브가 가해진 소산 시스템에서 얽힘 생성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 3체 동역학(LZS 간섭을 통한)은 고콘카르던스를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 강한 드라이브 조건 하에서도 빠른 붕괴 채널이 최대 얽힘을 안정화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 메커니즘은 광범위한 드라이브 진폭 범위에서 이중 큐비트 고정 상태 콘카르던스 값이 거의 1에 가까운 수준을 달성한다.
• 최대 얽힘은 3체 랑도-젠저-슈트클베르크 간섭 과정과 비대칭 큐비트-bath 상호작용에 의해 활성화된 빠른 붕괴 채널의 조합을 통해 안정화된다.
• 이전 방법들과 달리 다중 포톤 공진 조정이 필요로 하지 않으며, 이러한 공진 조정에 의존하는 기존 접근법과는 다릅니다.
• 큐비트-큐비트 상호작용의 부호 J는 핵심적이다: J < 0일 때 얽힘은 최대가 되며, 이는 원하는 에너지 준위 순서를 가능하게 한다.
• 강한 드라이브이거나 공진에서 멀리 떨어져 있어도 메커니즘이 효과를 유지하며, 파rameter 변화에 대한 강건성을 보여준다.
• 고정 상태 얽힘은 공진 조정된 방법보다 뚜렷이 높으며, 이는 간섭의 파괴나 디코herence로 인해 콘카르던스가 낮아지는 문제로 인해 발생한다.