[논문 리뷰] Improving the coherence time of a quantum system via a coupling with an unstable system

Yuichiro Matsuzaki, Xiaobo Zhu외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 08.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 니트로젠빈공석(NV) 중심을 고도로 불안정한 초도체 플럭스 큐비트와 결합시켜 다이아몬드 내 NV 중심의 동기시간을 연장하는 직관에 반하는 방법을 제안한다. 하이브리드화를 통해 어두운 상태가 나타나며, 이는 플럭스 큐비트의 동기시간이 수백 나노초에 불과할지라도 NV 중심 자체보다 훨씬 더 긴 동기시간을 보이며, 양자정보처리를 위한 수동적이고 강건한 장수 큐비트 구현로 이어진다.

ABSTRACT

Here, we propose a counter-intuitive use of a hybrid system where the coherence time of a quantum system is actually improved via a coupling with an unstable system. If we couple a two-level system with a single NV center, then a dark state of the NV center naturally forms after the hybridization. We show that this dark state becomes robust against environmental fluctuations due to the coupling even when the coherence time of the two-level system is much shorter than that of the NV center. Our proposal opens a new way to use a quantum hybrid system for the realization of robust quantum information processing

연구 동기 및 목표

• NV 중심과 같은 양자 시스템에서의 짧은 동기시간이라는 근본적 과제를 해결함으로써, 이들이 양자정보처리에서의 응용 가능성을 제한하는 문제를 다루기 위해.
• 안정된 양자 시스템(NV 중심)을 불안정한 시스템(예: 초도체 플럭스 큐비트)과 결합할 경우, 오히려 동기시간이 향상될 수 있는지를 탐구하기 위해.
• NV 중심과 불안정한 시스템 간의 하이브리드화를 통해 형성된 어두운 상태가 환경 노이즈로부터 강건해지는 이유를 설명하기 위해.
• 활동적인 오류 보정이나 정밀한 펄스 제어가 필요 없는 수동적 프로토콜을 제안하여 동기시간을 연장하는 것이 가능함을 보여주기 위해.
• 하나의 구성 요소가 불안정할 경우에도 다른 구성 요소의 안정성이 향상되는 새로운 양자 하이브리드 시스템의 패러다임을 설정하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 NV 중심, 이중준위계열(TLS), 그리고 그들의 자석 상호작용을 포함하는 해밀토니안으로 모델링되며, TLS는 초도체 플럭스 큐비트로 표현된다.
• 상호작용 해밀토니안은 NV 중심의 스핀과 플럭스 큐비트의 자석모멘트 사이의 자석 dipole-dipole 상호작용을 통해 줄리언 결합을 포함한다.
• 이론적 분석은 NV 중심의 기본 상태들의 초위상으로 이루어진 어두운 상태를 식별하며, 이는 대칭성과 하이브리드화로 인해 환경으로부터 분리되어 발생한다.
• 저주파수 자기장 노이즈 하에서 스토케스틱 위상변형 모델과 가우시안 가중 함수를 사용하여 어두운 상태의 동기시간을 평가한다.
• 수치 시뮬레이션은 어두운 상태의 허상성 붕괴를 계산하며, 이는 NV 중심 자체의 이클로스 제한 동기시간과 비교된다.
• 이 프로토콜은 플럭스 큐비트의 T2가 500 ns에 불과할 경우에도 강건하며, 어두운 상태의 동기시간은 1 ms를 초과한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안정된 양자 시스템(NV 중심)을 불안정한 이중준위계열(예: 초도체 플럭스 큐비트)과 결합할 경우, 더 장수한 양자 상태를 얻을 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 시스템 내 어두운 상태가 개별 구성 요소보다 환경에 의한 위상변형에 더 강건해지는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 어두운 상태의 동기시간은 불안정한 시스템의 비탄성 특성에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 불안정한 시스템의 동기시간이 NV 중심보다 수 개의 주기 수준으로 짧을 경우에도 이 효과를 관찰할 수 있는가?
• RQ5 이 어두운 상태를 확장 가능한 양자정보 아키텍처에서 제어 가능한 장수 큐비트로 사용하는 것이 실현 가능한가?

주요 결과

• NV 중심과 초도체 플럭스 큐비트를 결합하여 형성된 어두운 상태는 플럭스 큐비트의 T2가 500 ns에 불과할지라도 동기시간이 1 ms를 초과한다.
• 어두운 상태의 동기시간은 일반적으로 수백 마이크로초 수준인, NV 중심 자체의 이클로스 제한 동기시간보다 현저히 길다.
• 동기시간 향상은 다이내믹 디커플링이나 스피너 이클로스와 같은 활동적인 펄스 시퀀스가 필요 없이 수동적으로 이루어진다.
• 어두운 상태는 결합 시스템(플럭스 큐비트)이 매우 불안정할지라도 안정성을 유지하며, 놀라운 강건성 메커니즘이 드러난다.
• 어두운 상태의 허상성 붕괴는 느리게 일어나며, 플럭스 큐비트의 T2가 무한대일 경우 붕괴율 1/Γ ≈ 1.2 ms로 나타나, 장수 동기 상태임을 시사한다.
• 이 메커니즘은 캐비티 QED 어두운 상태와 근본적으로 다릅니다. 안정성이 상위 준위를 피하는 데서 비롯되지 않고, 하이브리드화에 의해 유도된 분리로 인해 발생하기 때문이다.