[논문 리뷰] Photon-mediated interactions: a scalable tool to create and sustain entangled many-body states

Camille Aron, Manas Kulkarni외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 29.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공학적 소산을 통해 공간적으로 분리된 큐비트에서 다중입자 얽힌 W-상태를 생성하고 유지하기 위한 확장 가능한 광자 매개 방법을 제안한다. 일관된 빛 공급을 갖춘 캐비티 QED를 활용함으로써, 이론적 최적 조건에서 높은 정밀도의 얽힘을 달성하고 장기간에 걸쳐 안정성을 확보하며 초전도 큐비트 회로 및 기타 광학 네트워크에서의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Generation and sustenance of entangled many-body states is of fundamental and applied interest. Recent experimental progress in the stabilization of two-qubit Bell states in superconducting quantum circuits using an autonomous feedback scheme [S. Shankar et al., Nature 504, 419 (2013)] has demonstrated the effectiveness and robustness of driven-dissipative approaches, i.e. engineering a fine balance between driven-unitary and dissipative dynamics. Despite the remarkable theoretical and experimental progress in those approaches for superconducting circuits, no demonstrably scalable scheme exists to drive an arbitrary number of spatially separated qubits to a desired entangled quantum many-body state. Here we propose and study such a scalable scheme, based on engineering photon-mediated interactions, for driving a register of spatially separated qubits into multipartite entangled states. We demonstrate how generalized W-states can be generated with remarkable fidelities and the entanglement sustained for an indefinite time. The protocol is primarily discussed for a superconducting circuit architecture but is ideally realized in any platform that permits controllable delivery of coherent light to specified locations in a network of Cavity QED systems.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 분리된 큐비트를 원하는 다체 얽힌 many-body 상태로 유도할 수 있는 확장 가능한 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 기존의 구동-소산적 방법들이 큰 큐비트 레지스터에 쉽게 확장되지 않는 한계를 극복하기 위해.
• 광자 매개 상호작용에 기반한 프로토콜을 개발하여 강건하고 높은 정밀도의 얽힘 생성 및 무한한 지속 가능성을 달성하기 위해.
• 이 방법이 초전도 양자 회로에서 실현 가능하며, 확장 가능한 다른 광학 네트워크 플랫폼으로도 적용 가능함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 프로토콜은 캐비티 QED 아키텍처에서 공통의 광학 모드를 통해 공간적으로 분리된 큐비트를 광자 매개 상호작용으로 연결한다.
• 단위적 진화와 정밀하게 설계된 소산을 균형 잡는 구동-소산적 접근 방식을 사용하여 목표 얽힌 상태를 안정화한다.
• 네트워크의 특정 노드에 일관된 빛 공급을 활용하여 큐비트 상호작용을 직접 연결하지 않고 제어할 수 있도록 한다.
• 목표 상태는 일반화된 W-상태이며, 공학된 점프 연산자를 갖춘 철저히 설계된 리드블라드 마스터 방정식을 통해 준비되고 안정화된다.
• 각 큐비트가 공유하는 캐비티 모드에 연결되어 장거리 얽힘을 매개하므로, 확장 가능한 설계를 갖춘다.
• 이론적 분석은 실제 노이즈 및 비가역성 모델 하에서 프로토콜의 안정성과 정밀도를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 조작과 광자 매개 상호작용만을 사용하여 공간적으로 분리된 큐비트에서 확장 가능한 장수명 다중입자 얽힌 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 직접적인 큐비트-큐비트 결합 없이도, 구동-소산 역학을 어떻게 설계하여 여러 큐비트에 특정한 W-상태를 안정화할 수 있는가?
• RQ3 실제 소산 및 비가역성 효과 하에서 생성된 얽힌 상태의 도달 가능한 정밀도와 수명은 얼마인가?
• RQ4 네트워크 아키텍처에서 큐비트 수가 증가함에 따라 프로토콜의 강건성과 확장성은 어느 정도 확보되는가?
• RQ5 이 방법은 초전도 회로를 넘어 다른 광학 양자 플랫폼으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 프로토콜은 이상 조건에서 이론적 한계에 가까운 높은 정밀도로 일반화된 W-상태를 생성할 수 있다.
• 구동-소산 설계에 내장된 자동 피드백 메커니즘 덕분에 얽힘은 무한정 유지된다.
• 지역 큐비트-캐비티 상호작용과 공통 광학 모드에 기반하므로, 복잡한 직접 큐비트 결합을 피함으로써 확장 가능한 설계를 갖춘다.
• 리드블라드 마스터 방정식의 수치 시뮬레이션을 통해 비가역성과 노이즈에 대한 강건성이 확인되었다.
• 이 방법은 일관된 빛 공급이 가능한 네트워크 노드를 지원하는 모든 시스템으로 이식 가능하다.
• 이론적 분석은 목표 W-상태에 해당하는 안정 고정점의 존재를 확인하여 장기적 안정성을 보장한다.