[논문 리뷰] Quantum Memory in the Ultrastrong-Coupling Regime via Parity Symmetry Breaking

Roberto Stassi, Franco Nori|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 27.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 캐비티-양자전기역학(cavity-QED) 시스템에서의 초강력 결합 영역을 활용하여 조셉슨 큐비트의 디코herence를 보호하는 것을 제안한다: 종방향 결합은 에너지 붕괴를 억제하고, 횡방향 결합은 순순수 디코herence를 억제한다. 페어리티 대칭성 붕괴와 동적 분리 기법을 활용하여, 저자들은 향상된 공명 시간을 입증하였으며, 이는 보조 수준을 활용한 상태 저장 및 복원을 위한 견고한 양자 메모리 작동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum systems are affected by interactions with their environments, causing decoherence through two processes: pure dephasing and energy relaxation. For quantum information processing it is important to increase the coherence time of Josephson qubits and other artificial two-level atoms. We show theoretically that if the coupling between these qubits and a cavity field is longitudinal and in the ultrastrong-coupling regime, the system is strongly protected against relaxation. Vice versa, if the coupling is transverse and in the ultrastrong-coupling regime, the system is protected against pure dephasing. Taking advantage of the relaxation suppression, we show that it is possible to enhance their coherence time and use these qubits as quantum memories. Indeed, to preserve the coherence from pure dephasing, we prove that it is possible to apply dynamical decoupling. We also use an auxiliary atomic level to store and retrieve quantum information.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트에서의 디코herence 문제를 해결함으로써 양자 정보 처리 응용에서의 활용을 제한하는 핵심 과제를 해결하기 위해.
• 캐비티-QED 시스템에서의 초강력 결합이 대칭성 보호를 통해 붕괴와 디코herence를 어떻게 억제할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 향상된 공명 시간이 공학적 결합 영역을 활용한 실용적 양자 메모리 작동을 가능하게 한다는 것을 입증하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 양자 상태 저장 및 복원을 위한 동적 분리 기법과 보조 수준을 조합한 프로토콜을 개발하기 위해.

제안 방법

• 초강력 결합 영역에서의 큐비트-캐비티 시스템에 대한 이론적 분석을 수행하며, 종방향 및 횡방향 결합 구성에 중점을 둔다.
• 시스템 보호를 위한 페어리티 대칭성 붕괴의 활용: 종방향 결합은 붕괴를 억제하고, 횡방향 결합은 디코herence를 억제한다.
• 횡방향 결합 시스템에서 잔류 디코herence를 추가로 억제하기 위해 동적 분리 시퀀스의 적용.
• 양자 정보를 저장 및 복원할 수 있는 보조 원자 수준의 도입으로, 상당한 디코herence 없이 기능한다.
• 초강력 결합 하에서 효과적 해밀토니안 유도를 통해 대칭성 보호 서브스페이스 식별.
• 수치적 및 해석적 모델링을 통한, 두 결합 유형 모두에서 공명 시간 향상 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티-QED 시스템에서의 초강력 종방향 결합이 조셉슨 큐비트의 에너지 붕괴를 억제할 수 있는가?
• RQ2 초강력 횡방향 결합이 페어리티 대칭성 붕괴를 통해 순순수 디코herence를 보호할 수 있는가?
• RQ3 어떻게 동적 분리 기법을 결합 영역 선택과 융합하여 공명 시간을 추가로 연장할 수 있는가?
• RQ4 보조 수준이 이 보호 영역에서 신뢰할 수 있는 양자 상태 저장 및 복원을 가능하게 하는가?
• RQ5 이러한 보호 메커니즘을 통해 얻을 수 있는 공명 시간의 정량적 향상 수준은 무엇인가?

주요 결과

• 종방향 초강력 결합은 시스템 고유상태의 페어리티 대칭성 붕괴로 인해 에너지 붕괴에 대한 강력한 보호를 제공한다.
• 횡방향 초강력 결합은 유사한 대칭성 보호를 통해 순순수 디코herence를 억제하며, 장수명 초위상 상태를 가능하게 한다.
• 동적 분리 기법은 잔류 디코herence를 완화함으로써, 횡방향 결합 시스템에서도 공명 시간을 추가로 향상시킨다.
• 대칭성 보호와 동적 분리 기법의 조합은 표준 붕괴 한계를 초월해 공명 시간을 크게 향상시킨다.
• 보조 원자 수준은 보호 서브스페이스 내에서 상당한 디코herence 없이 양자 정보의 일관된 저장 및 복원을 가능하게 한다.
• 이론적 분석은 붕괴와 디코herence가 각각의 결합 영역에서 억제됨을 확인하였으며, 이는 견고한 양자 메모리 작동을 가능하게 한다.