[论文解读] An Open-System Quantum Simulator with Trapped Ions

Julio T. Barreiro, Markus G. Mueller+8 more|RePEc: Research Papers in Economics|Apr 6, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

该论文首次实现了利用囚禁离子模拟开放量子系统的实验工具箱，结合了多量子比特的相干门操作与通过光学泵浦实现的工程化退相干。该工作实现了纠缠态（如贝尔态和GHZ态）的耗散态制备、多体自旋相互作用的相干实现，以及五量子比特系统中多量子比特可观测量的量子非破坏性测量，为受控开放系统量子模拟奠定了基础。

ABSTRACT

The control of quantum systems is of fundamental scientific interest and promises powerful applications and technologies. Impressive progress has been achieved in isolating the systems from the environment and coherently controlling their dynamics, as demonstrated by the creation and manipulation of entanglement in various physical systems. However, for open quantum systems, engineering the dynamics of many particles by a controlled coupling to an environment remains largely unexplored. Here we report the first realization of a toolbox for simulating an open quantum system with up to five qubits. Using a quantum computing architecture with trapped ions, we combine multi-qubit gates with optical pumping to implement coherent operations and dissipative processes. We illustrate this engineering by the dissipative preparation of entangled states, the simulation of coherent many-body spin interactions and the quantum non-demolition measurement of multi-qubit observables. By adding controlled dissipation to coherent operations, this work offers novel prospects for open-system quantum simulation and computation.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的实验平台，用于模拟具有受控系统-环境耦合的开放量子系统。
• 在多量子比特系统中，通过囚禁离子实现相干与耗散动力学的工程化。
• 实现从任意初始态出发的贝尔态和GHZ态等纠缠态的耗散态制备。
• 实现多量子比特稳定算符可观测量的量子非破坏性（QND）测量，实现非破坏性读出。
• 为未来通过环境测量反馈实现闭环量子模拟与量子纠错奠定基础。

提出的方法

• 采用最多五量子比特的囚禁离子量子计算架构，其中离子被划分为系统与环境两部分。
• 利用通用量子门（单量子比特与双量子比特操作）实现相干演化，通过光学泵浦实现工程化退相干。
• 通过操作元集合 {E_k} 构建耗散映射，使系统以目标纠缠态为唯一吸引子演化。
• 通过将n体可观测量相干映射到辅助量子比特并测量该辅助比特，实现量子非破坏性（QND）测量，避免系统叠加态的坍缩。
• 利用量子过程层析技术表征态制备与测量保真度。
• 结合相干操作与耗散过程，模拟一般非幺正的开放系统动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在多量子比特系统中工程化实现受控退相干，从而无论初始条件如何，均可制备特定的纠缠态？
• RQ2 如何在囚禁离子量子模拟器中实现相干的n体自旋相互作用？
• RQ3 利用辅助量子比特，对多量子比特可观测量的非破坏性测量能达到何种程度？
• RQ4 相干与耗散动力学的相互作用是否能够模拟一般开放系统演化？
• RQ5 如何通过环境测量反馈实现闭环量子模拟？

主要发现

• 在2+1离子系统中，贝尔态的耗散制备保真度达到73(1)%，证明了从完全混合态到目标纠缠态的泵浦过程。
• 在4+1离子系统中，实现了四量子比特GHZ态的耗散制备，构成基塔耶夫表面码的最小实例。
• 实现了作为多体自旋哈密顿量基本构建模块的相干四自旋相互作用。
• 实现了对四量子比特稳定算符 $X_1X_2X_3X_4$ 的量子非破坏性测量，对稳定算符本征态的保真度为96.9(6)%。
• 系统实现了对n体可观测量的非破坏性读出，保持了本征子空间内叠加态的完整性。
• 实验验证了通过结合相干演化与工程化退相干，实现一般开放系统动力学模拟的完整工具箱。