[논문 리뷰] Optimal strategy of quantum computing and trade-off between opposite types of decoherence

Robert Alicki, Michał Horodecki외 4명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 08.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 마르코프성(지수 감쇠)과 비마르코프성(작동 유도)의 경쟁적 디코herence 유형이 존재하는 양자 계산에서 최적의 게이트 속도 전략을 규명한다. 마르코프성은 빠른 게이트를 선호하고, 비마르코프성은 느린 게이트를 선호한다. 둘 다 존재할 경우, 반도체 큐비트에서와 같이 중간 수준의 게이트 속도가 최적의 균형을 이룩하여 총 디코herence를 최소화한다.

ABSTRACT

We study reliable quantum information processing (QIP) under two different types of environment. First type is Markovian exponential decay, and the appropriate elementary strategy of protection of qubit is to apply fast gates. The second one is strongly non-Markovian and occurs solely during operations on the qubit. The best strategy is then to work with slow gates. If the two types are both present, one has to optimize the speed of gate. We show that such a trade-off is present in semiconductor implementation of QIP, where recombination of exciton (qubit) is Markovian, while phonon dressing gives rise to the non-Markovian contribution.

연구 동기 및 목표

• 마르코프성 지수 감쇠와 강한 비마르코프성 역학이라는 두 가지 상이한 디코herence 메커니즘이 양자 정보 처리에 미치는 영향을 분석하기.
• 두 디코herence 유형이 동시에 존재할 경우 최적의 게이트 속도 전략을 규명하기.
• 빠른 게이트(마르코프성 감쇠에 효과적임)와 느린 게이트(비마르코프성 효과에 효과적임) 사이의 본질적 트레이드오프를 해결하기.
• 실제 반도체 큐비트 시스템에 이론적 프레임워크를 적용하여, 엑시톤 재결합이 마르코프성 감쇠를 유도하고, 포논 드레싱이 비마르코프성 효과를 유도함을 규명하기.

제안 방법

• 마르코프성 감쇠(지수적 회복)와 게이트 작동 중에만 나타나는 비마르코프성 역학을 갖는 두 가지 상이한 디코herence 채널을 모델링한다.
• 각 디코herence 유형에 대해 게이트 지속 시간이 큐비트 허용도에 미치는 영향을 별도로 분석한다.
• 마르코프성과 비마르코프성 기여가 동시에 존재할 경우 총 디코herence를 최소화하는 방식으로 최적의 게이트 속도를 유도한다.
• 모델을 반도체 큐비트에 적용하여, 엑시톤 재결합이 마르코프성 원인이고, 포논 드레싱이 비마르코프성 원인임을 규명한다.
• 양자 역학적 동역학 모델링을 사용하여 다양한 게이트 속도에서의 허용도 열화를 비교한다.
• 빠른 및 느린 게이트 작동의 상충 요구 사항을 균형 잡는 트레이드오프 함수를 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 시스템에 마르코프성과 비마르코프성 디코herence가 동시에 존재할 경우 최적의 게이트 속도는 무엇인가?
• RQ2 경쟁적 디코herence 메커니즘 하에서 빠른 게이트와 느린 게이트의 선택이 큐비트 허용도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 반도체 기반 양자 계산에서, 다양한 게이트 작동 시간 동안 어떤 디코herence 채널이 지배적인가?
• RQ4 혼합 디코herence 유형을 갖는 시스템에서 총 디코herence를 최소화하는 단일 최적의 게이트 속도를 특정할 수 있는가?
• RQ5 엑시톤 재결합과 포논 드레싱은 반도체 큐비트에서 디코herence에 어떻게 다르게 기여하는가?

주요 결과

• 빠른 게이트는 큐비트가 환경에 노출되는 시간을 줄이므로 마르코프성 지수 감쇠로부터의 디코herence를 최소화한다.
• 비마르코프성 디코herence는 게이트 작동 중에만 발생하므로, 환경와의 결합도를 줄임으로써 느린 게이트가 더 효과적으로 이를 완화한다.
• 두 디코herence 유형이 동시에 존재할 경우 중간 수준의 게이트 속도가 최적의 균형을 이룩하여, 빠른 또는 느린 게이트만 사용할 경우보다 더 높은 허용도를 제공한다.
• 반도체 큐비트에서는 엑시톤 재결합이 마르코프성 감쇠를 유도하고, 포논 드레싱이 게이트 지속 시간에 따라 달라지는 비마르코프성 효과를 유도한다.
• 최적의 게이트 속도는 두 디코herence 채널의 상대적 강도와 시간 의존성에 의해 결정되며, 정량적 트레이드오프 분석이 필요하다.
• 이 연구는 유사한 이중 디코herence 메커니즘이 나타날 수 있는 다른 물리적 큐비트 실현 방식에 일반적으로 적용 가능한 프레임워크를 수립한다.