[論文レビュー] A many-body singlet prepared by a central spin qubit

Leon Zaporski, Stijn R. de Wit+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、中心スピンキュービットを用いて、密度の高い核スピン系集合体を純粋な反極化状態に初期化し、その後、制御されたダイナミクスによって多数体スイングレット（非常にエンタングルされ、デ coherent に保護された状態）を生成する3段階の量子プロトコルを提案する。この手法は、現実的なデ coherent に対しても高い忠実度のスイングレット状態を実現し、ダイヤモンドNV中心や量子ドットを含む複数の物性プラットフォームにおいても頑健であることを示している。

ABSTRACT

Controllable quantum many-body systems are platforms for fundamental investigations into the nature of entanglement and promise to deliver computational speed-up for a broad class of algorithms and simulations. In particular, engineering entanglement within a dense spin ensemble can turn it into a robust quantum memory or a computational platform. Recent experimental progress in dense central spin systems motivates the design of algorithms that use a central-spin qubit as a convenient proxy for the ensemble. Here we propose a protocol that uses a central spin to initialize two dense spin ensembles into a pure anti-polarized state and from there creates a many-body entangled state -- a singlet -- from the combined ensemble. We quantify the protocol performance for multiple material platforms and show that it can be implemented even in the presence of realistic levels of decoherence. Our protocol introduces an algorithmic approach to preparation of a known many-body state and to entanglement engineering in a dense spin ensemble, which can be extended towards a broad class of collective quantum states.

研究の動機と目的

• . 密度の高いスピン系集合体における粒子間位相の直接的制御の欠如が、エンタングルメント工学を制限しているという問題に取り組むこと。
• 低全スピン極化を示す系において、純粋で高エンタングルの多数体状態（例えばスイングレット）を生成する挑戦を克服すること。
• 中心スピンキュービットをプロキシとして用いるスケーラブルでアルゴリズム的なプロトコルを開発すること。
• 実験的に関連するデ coherent および不均一なハイパーフィン場を伴う現実的な材料において、高忠実度のスイングレット状態をどのように実現できるかを調査すること。

提案手法

• . 中心スピンキュービットによる対称性破れを用いて、密度の高い系内の2つの異なるスピン種間の相対位相を制御する。
• 3段階のプロセスを採用する：(1) 中心スピン制御により両集合体を反極化状態に初期化、(2) スーパーポジションを生成するための制御された相互作用を適用、(3) 多数体スイングレット状態に発展させる。
• 中心スピンが媒介する有効な全結合結合を活用して集団的ダイナミクスとエンタングルメントを誘導する。
• レート方程式モデルを用いて、励起状態のダイナミクスと位相崩壊効果を分析し、ゲートパラメータの最適化を可能にする。
• 完全な量子ダイナミクスをI1 ≠ I2のマニフォールドでシミュレートすることで、現実的な条件下でのプロトコルの性能を検証する。
• 勾配降下法を用いて制御パルスを最適化し、スイングレット忠実度と収束時間に基づくコスト関数を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . 中心スピンキュービットを用いて、低初期極化状態から密度の高い核スピン系集合体において純粋な多数体スイングレット状態を生成できるか？
• RQ2 ダイヤモンドNV中心や量子ドットのような材料において、現実的なデ coherent 水準および不均一なハイパーフィン場下でも、このプロトコルはどのように性能を発揮するか？
• RQ3 対称性破れが粒子間位相制御を可能にし、スイングレット形成を可能にする役割は何か？
• RQ4 異なる物理的プラットフォームにおいて、系サイズおよび位相崩壊率の変動に伴うプロトコルの忠実度スケーリングはいかなるものか？
• RQ5 制御の複雑さを最小限に抑えるために、このプロトコルを最適化し、高忠実度のスイングレット状態を生成できるか？

主な発見

• . 中心スピン制御を活用して粒子間位相を管理することで、低極化状態から出発しても、密度の高いスピン系集合体において多数体スイングレット状態を高忠実度で準備できる。
• シミュレーションにより、デ coherent 水準が現実的であっても、10^4 から 10^6 個のスピン集合体においても忠実度が保持されることを示した。
• レート方程式モデルにより、位相崩壊と励起状態の減衰が主な誤差チャネルであることが確認されたが、ゲート時間の最適化によりプロトコルは依然として有効である。
• 勾配降下法による最適化により、ゲート忠実度が向上し収束時間が短縮された。コスト関数はスイングレット励起状態と位相コherーランスに基づく。
• 中心スピンキュービットが、スイングレットを含む複雑な多数体状態を、密度の高い系集合体においてスケーラブルにプロキシとして機能できることを示した。
• 非回転フレームにおいてスイングレット状態の自己再フォーカスが可能となり、安定性が向上し、制御誤差への感受性が低下した。