[논문 리뷰] Transitionless intra-cavity quantum state transfer in optomechanical systems

Hao Zhang, Xue‐Ke Song외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 31.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 50인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전이 없음 양자 상태 전송 프로토콜을 광기계 시스템에서 전이 없음 양자 구동(TQD) 알고리즘을 사용하여 제안하며, 진화 시간이나 결합 간격에 대한 정밀한 제어가 필요 없이 빠르고 강인하며 고정밀도의 상태 전송을 가능하게 한다. 이는 기계적 고갈과 비기본 상태 초기 조건 하에서도 거의 완벽한 상태 전송 품질(최대 93%)을 달성하며, 대부분의 분리된 광기계 결합과 가우시안형 시간에 의존하는 결합 강도를 활용한다.

ABSTRACT

Quantum state transfer between cavities is crucial for quantum information processing and quantum computation in optomechanical systems. Here, we present the first scheme for the transitionless intra-cavity quantum state transfer based on transitionless quantum driving (TQD) algorithm in optomechanical systems. We also present a physically feasible system for the TQD process based on largely detuned optomechanical cavity. With the Gaussian time-dependence coupling strengths, our scheme can achieve the perfect quantum state transfer with no undesired transition and reduce the dependence of accurately controlling evolution time and interval of coupling strengths. Our computational results show that the TQD process can be accomplished with no need of the mechanical oscillator in its ground state and is also robust to the mechanical dissipation.

연구 동기 및 목표

• 광기계 시스템에서의 느린, 아디아바틱한 양자 상태 전송 문제를 해결하기 위해, 시간 오차와 양자 분해에 취약한 아디아바틱한 전송 방식에 대비한다.
• 기계 진동자가 기본 상태에 있어야 하는 조건 없이 완벽한 상태 전송을 달성하는 비아디아바틱 프로토콜을 개발한다.
• 결합 지속 시간과 결합 펄스 간 간격의 정밀한 제어에 대한 민감도를 감소시킨다.
• 실제 광기계 적용에서 기계적 고갈과 열 노이즈에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 실험적으로 조절 가능한 가우시안 결합 강도를 사용하는 물리적으로 실현 가능한 방법을 제공한다.

제안 방법

• 프로토콜은 전이 없음 양자 구동(TQD) 알고리즘을 사용하여 아디아바틱 진화를 가속화하고 비아디아바틱 전이를 제거한다.
• 광학 공진기와 기계 진동자 간의 시간에 의존하는 결합 강도는 매끄럽고 제어 가능한 진화를 보장하기 위해 가우시안 에너지로 모델링된다.
• 대규모 분리 조건 근사 하에 시스템 해밀토니안을 유도하여 공진기 간 직접 결합과 기계 모드 간의 영향을 최소화한다.
• 동역학은 리들란트 마스터 방정식을 사용하여 시뮬레이션되며, 공진기 감쇠(κ₁, κ₂)와 기계 감쇠(γₘ)를 포함하고, 열 진동수 nₜₕ를 매개변수로 사용한다.
• 정밀도 평가에는 기계 자유도에 대한 추적을 사용하며, 목표 상태 |01⟩을 원하는 출력으로 사용한다.
• 강건성은 초기 진동수 수와 nₜₕ를 변화시키고, 결합 펄스 간 간격에 작은 편차를 도입하여 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광기계 시스템 내 공진기 간 양자 상태 전송에 대해 전이 없음 양자 구동이 성공적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 TQD 기반 상태 전송은 결합 펄스 시퀀스의 시간 오차에 얼마나 민감한가?
• RQ3 기계적 고갈과 열 노이즈에 대해 프로토콜의 강건성은 어느 정도인가?
• RQ4 기계 진동자가 기본 상태에 있어야 하는 조건 없이 고정밀도 상태 전송을 달성할 수 있는가?
• RQ5 표준 아디아바틱 또는 듀얼 스위프 프로토콜 대비, 가우시안형 결합 강도 사용이 강건성을 향상시키는가?

주요 결과

• TQD 프로토콜은 공진기 감쇠(κ₁ = κ₂ = 0.015)와 기계 감쇠(γₘ = 5×10⁻⁴)가 존재하는 조건에서 최대 93%의 정밀도를 달성하며, nₜₕ = 100일 경우에도 성립한다.
• 초기 진동수 수가 |0⟩에서 |3⟩로 증가하고 nₜₕ가 0에서 400으로 변화할 때 정밀도가 0.935에서 0.910으로 뿐만 아니라 0.025 감소하여 열 노이즈에 대해 매우 강건함을 시사한다.
• 결합 펄스 간 간격에 대한 작은 편차(Δt = ±0.46)는 영향을 거의 미치지 않으며, 공진기 2의 목표 상태에 대해 정밀도가 99% 이상 유지된다.
• 기계 진동자가 기본 상태에 있어야 하는 조건 없이도 전이 없음 진화를 달성할 수 있으며, 이는 현실적인 열 조건에서도 작동 가능함을 의미한다.
• 진화 시간과 결합 간격의 정밀한 제어에 민감하지 않아 아디아바틱 및 듀얼 스위프 프로토콜의 핵심 한계를 극복한다.
• 가우시안형 시간에 의존하는 결합 강도의 사용은 불필요한 전이를 유도하지 않으면서도 매끄럽고 빠르며 고정밀도의 상태 전송을 가능하게 한다.