[논문 리뷰] Arbitrary n-Qubit State Transfer Implemented by Coherent Control and Simplest Switchable Local Noise

Ville Bergholm, Frank K. Wilhelm외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 20.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 한 개의 큐비트에 대한 가변 마르코프 노이즈와 조화 제어를 조합하여 임의의 n-큐비트 상태 전달을 위한 방법을 제안한다. 이는 측정 기반 피드백이나 보조 큐비트 없이도 전체 상태 제어 가능성을 가능하게 한다. 주요 결과는 번-번 애벌레 감쇠 노이즈(비단항성)가 임의의 초기 상태로부터 모든 양자 상태로의 전이 가능성을 보장하는 반면, 비트-플립 노이즈(단항성)는 초기 상태에 의해 주도되는 모든 상태의 도달 가능성을 보장한다.

ABSTRACT

We study reachable sets of open n-qubit quantum systems, whose coherent parts are under full unitary control, by adding as a further degree of incoherent control switchable Markovian noise on a single qubit. In particular, adding bang-bang control of amplitude damping noise (non-unital) allows the dynamic system to act transitively on the entire set of density operators. Thus one can transform any initial quantum state into any desired target state. Adding switchable bit-flip noise (unital) instead suffices to get all states majorised by the initial state. Our open-loop optimal control package DYNAMO is extended by incoherent control to exploit these unprecedented reachable sets in experiments. We propose implementation by a GMon, a superconducting device with fast tunable coupling to an open transmission line, and illustrate how open-loop control with noise switching achieves all state transfers without measurement-based closed-loop feedback and resettable ancilla.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 비조화 제어를 통해 n-큐비트 양자 시스템의 전체 제어 가능성을 달성하기 위해.
• 한 개의 큐비트에 대한 가변 마르코프 노이즈가 조화 제어와 결합될 경우, 임의의 상태 전달이 가능함을 보여주기 위해.
• 측정 기반 닫힌 루프 피드백을 개방 루프 노이즈 스위칭으로 대체하기 위해.
• 가변 커플링을 갖는 전송선에 연결된 GMon 장치를 사용한 실험적 구현을 제안하기 위해.
• 실험적 실현 가능성을 고려해 최적 제어 프레임워크 dynamo에 비조화 제어를 통합하기 위해.

제안 방법

• 계를 시간에 따라 변화하는 린드블라드 마스터 방정식으로 제어되는 이중선형 제어 시스템으로 모델링하며, 조화 해밀토니안 제어와 가변 노이즈 파rameter를 포함한다.
• 조화 해밀토니안과 마르코프 노이즈 비율(예: 애벌레 감쇠 또는 비트-플립 노이즈)에 대해 조각별로 일정한 제어 파rameter를 도입한다.
• 비조화 제어를 통합한 확장된 dynamo 최적 제어 플랫폼을 사용하여 상태 전달 프로토콜을 시뮬레이션하고 최적화한다.
• 빠른 노이즈 on/off 스위칭을 통해 번-번 제어를 적용하여 효과적인 비단항성(애벌레 감쇠) 또는 단항성(비트-플립) 노이즈 조절을 가능하게 한다.
• 빠른 가변 커플링을 갖는 GMon 초전도 큐비트의 체인을 사용하여 노이즈 주입을 위한 개방된 전송선에 연결된 물리적 실현 방법을 제안한다.
• 리 군의 이론적 결과와 마르코프성의 성질을 활용하여, 비단항성 노이즈가 밀도 연산자의 전체 집합에 대해 전이적 작용을 가능하게 함을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 큐비트에 대한 단일 가변 마르코프 노이즈 채널이 전체 조화 제어와 결합될 경우, 임의의 n-큐비트 상태 전달이 가능할 수 있는가?
• RQ2 개방 양자 시스템에서 전체 상태 제어 가능성을 달성하기 위해 필요한 최소한의 비조화 제어 자원은 무엇인가?
• RQ3 비단항성 노이즈(예: 애벌레 감쇠)는 조화 제어 하에서 밀도 연산자의 전체 집합에 대해 전이적 작용을 가능하게 하는가?
• RQ4 개방 루프 노이즈 스위칭은 양자 상태 공학에서 측정 기반 닫힌 루프 피드백을 대체할 수 있는가?
• RQ5 가변 노이즈의 포함이 도달 가능한 양자 상태의 집합에 미치는 영향은 무엇인가? 특히 단항성 노이즈와 비단항성 노이즈 간의 비교에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 단일 큐비트에 대한 애벌레 감쇠 노이즈 스위칭(비단항성)은 n-큐비트 밀도 연산자의 전체 집합에 대해 전이적 작용을 가능하게 하여, 어떤 초기 상태도 임의의 목표 상태로 변환할 수 있다.
• 비트-플립 노이즈(단항성)는 초기 상태에 의해 주도되는 모든 양자 상태의 도달 가능성을 보장하며, 더 작은 집합이지만 여전히 물리적으로 중요한 도달 가능한 집합을 형성한다.
• 제안된 방법은 측정 기반 피드백이나 재설정 가능한 보조 큐비트를 요구하지 않으며 전체 상태 제어 가능성을 달성한다.
• 확장된 dynamo 플랫폼을 사용한 수치 시뮬레이션은 상태 전달, 초기화, 삭제, 최대 얽힘 상태 생성 등 성공적인 구현을 확인한다.
• 이론적 프레임워크는 마르코프 상태 제어 가능성(MSC)이 비단항성 노이즈 하에서 크라우스 맵 제어 가능성(KSC)을 함의함을 증명하며, 이는 이전 결과를 확장한다.
• 결과는 개방 루프 노이즈 조절이 특정 양자 제어 과제에서 닫힌 루프 피드백을 대체할 수 있으며, 실험적 실현을 단순화시킬 수 있음을 시사한다.