[논문 리뷰] Spatially correlated classical and quantum noise in driven qubits: The good, the bad, and the ugly

Ji Zou, Stefano Bosco외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 06.

Quantum Computing Algorithms and ArchitectureComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 구동되는 두 큐비트 시스템에서 공간적으로 상관된 고전적 및 양자 노이즈의 이론적 분석을 제시하며, 고전적 노이즈는 오직 상관된 디코herence만 유도하는 반면, 양자 노이즈는 이징 상호작용 및 지야로시츠키-모리야 상호작용과 같은 공명 상호작용을 통해 장거리 얽힘을 생성할 수 있음을 밝혀낸다. 놀랍게도 저온에서 공명 구동 조건 하에, 상관된 양자 노이즈는 수요에 따라 발생하고 장수하는 얽힘을 유도하며, $1/f$ 노이즈의 시간적 상관관계는 이미 상실된 얽힘을 복원할 수도 있다.

ABSTRACT

Correlated noise across multiple qubits poses a significant challenge for achieving scalable and fault-tolerant quantum processors. Despite recent experimental efforts to quantify this noise in various qubit architectures, a comprehensive understanding of its role in qubit dynamics remains elusive. Here, we present an analytical study of the dynamics of driven qubits under spatially correlated noise, including both Markovian and non-Markovian noise. Surprisingly, we find that, while correlated classical noise only leads to correlated decoherence without increasing the quantum coherence in the system, the correlated quantum noise can be exploited to generate entanglement. In particular, we reveal that, in the quantum limit, pure dephasing noise induces a coherent long-range two-qubit Ising interaction that correlates distant qubits. In contrast, for purely transverse noise when qubits are subjected to coherent drives, the correlated quantum noise induces both coherent symmetric exchange and Dzyaloshinskii-Moriya interaction between the qubits, as well as correlated relaxation, both of which give rise to significant entanglement. Remarkably, in this case, we uncover that the system exhibits distinct dynamical phases in different parameter regimes. Finally, we reveal the impact of spatio-temporally correlated 1/f noise on the decoherence rate, and how its temporal correlations restore lost entanglement. Our analysis not only offers critical insights into designing effective error mitigation strategies to reduce harmful effects of correlated noise, but also enables tailored protocols to leverage and harness noise-induced correlations for quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 공진하는 큐비트 시스템에서 다중 큐비트 역학에 영향을 미치는 공간적으로 상관된 고전적 및 양자 노이즈의 영향을 이해하는 것.
• 상관된 노이즈의 해로운 영향(디코herence)과 유익한 영향(얽힘 생성)을 구분하는 것.
• 상관된 노이즈를 활용하여 양자 프로세서에서 얽힘을 생성하고 유지할 수 있는 조건을 특정하는 것.
• 온도, 구동, 노이즈 스펙트럼 상관관계(예: $1/f$)가 디코herence 및 얽힘 역학을 조절하는 데 미치는 역할을 분석하는 것.

제안 방법

• 공간적으로 상관된 노이즈 하에서 두 큐비트 역학을 위한 일반적인 마스터 방정식 프레임워크를 수립하며, 고전적 노이즈와 양자 노이즈 성분을 구분한다.
• 마르코프 및 비마르코프 영역 모두에 대해 노이즈 스펙트럼 밀도를 유도하며, 시간적 상관관계를 갖는 $1/f$ 노이즈를 포함한다.
• 회전 프레임 변환을 도입하고, 시간에 따라 변하는 해밀토니안을 사용하여 큐비트의 공명 구동을 모델링한다.
• 밀도 행렬 요소를 통해 얽힘 진화를 추적하기 위해 특정 초깃값(벨 상태 및 곱 상태)에서 마스터 방정식을 해석한다.
• 밀도 행렬 성분 $G_{11}, G_{44}, y(t)$에서 유도된 콕서르런스 측정법을 사용해 얽힘을 평가한다.
• 고전적 및 양자 노이즈 진폭 간의 연결 고리를 제공하는 열적 요소 $\alpha = e^{-\beta\hbar\Omega}$를 통해 온도의 역할을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간적으로 상관된 양자 노이즈는 구동되는 두 큐비트 시스템에서 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 상관된 고전적 노이즈는 디코herence에 어떤 영향을 미치며, 얽힘을 유도할 수 있는가?
• RQ3 $1/f$ 노이즈의 시간적 상관관계는 상실된 얽힘을 복원하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 온도와 공명 구동은 디코herence와 얽힘 생성 간의 균형에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 공명 하에서 상관된 횡방향 양자 노이즈가 존재할 경우 어떤 역학적 상이 나타나는가?

주요 결과

• 상관된 양자 노이즈는 순수한 위상변위 한계에서 장거리 이징 상호작용을 공명적으로 유도하여 떨어져 있는 큐비트 간의 얽힘을 가능하게 한다.
• 횡방향 노이즈와 공명 구동 조건 하에서, 상관된 양자 노이즈는 대칭적 스핀 교환 상호작용과 지야로시츠키-모리야 상호작용을 모두 생성하여 상당한 얽힘을 유도한다.
• 특히 횡방향 노이즈와 구동이 존재하는 조건에서, 매개변수 영역에 따라 시스템은 명백한 역학적 상으로 분리된다.
• 벨 상태 초깃값 조건 하에서, 상관된 양자 노이즈 하에서의 최종 얽힘은 양자 한계에서 최대값 1/2에 도달한다.
• 시간적 상관관계를 갖는 $1/f$ 노이즈는 공명 복귀 효과로 인해 그 외에 감쇠되는 얽힘을 복원할 수 있다.
• 놀랍게도 높은 온도에서는 상관된 노이즈의 교란 효과가 감소하여, 특정 노이즈 유형에 대해 역설적인 오차 보정 전략이 될 수 있음을 시사한다.