[论文解读] Fast long-range state transfer in quantum dot arrays via shortcuts to adiabaticity

Yue Ban, Xi Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 49被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于逆工程的绝热捷径（STA）协议，用于在不占据中间量子点的情况下实现快速、高保真度的长程电荷转移。通过设计模仿绝热演化但时间更短的时变电脉冲，该方法减少了退相干效应并放宽了加热约束，实现了比传统绝热协议更快、更鲁棒的量子态转移。

ABSTRACT

Rapid and efficient preparation, manipulation and transfer of quantum states through an array of quantum dots (QDs) is a demanding requisite task for quantum information processing and quantum computation in solid-state physics. Conventional adiabatic protocols, as coherent transfer by adiabatic passage (CTAP) and its variations, provide slow transfer prone to decoherence, which could lower the fidelity to some extent. To achieve the robustness against decoherence, we propose a protocol of speeding up the adiabatic charge transfer in multi-QD systems, sharing the concept of "Shortcuts to Adiabaticity" (STA). We first apply the STA techniques, including the counterdiabatic driving and inverse engineering, to speed up the direct (long range) transfer between edge dots in triple QDs. Then, we extend our analysis to a multi-dot system. We show how by implementing the modified pulses, fast adiabatic-like charge transport between the outer dots can be eventually achieved without populating intermediate dots. We discuss as well the dependence of the transfer fidelity on the operation time in the presence of dephasing. The proposed protocols for accelerating adiabatic charge transfer directly between the outer dots in a QD array offers a robust mechanism for quantum information processing, by minimizing decoherence and relaxation processes.

研究动机与目标

• 解决外量子点之间长程电荷转移中绝热协议速度慢且易受退相干影响的问题。
• 开发一种快速、非绝热的协议，以最小化转移过程中中间量子点的占据。
• 将绝热捷径（STA）技术扩展至多量子点量子点阵列，以实现可扩展的量子信息处理。
• 通过缩短操作时间来提高退相干环境下的转移保真度，同时降低所需脉冲强度。
• 为固态量子系统中的直接电荷与量子态转移提供一种鲁棒且实验可行的协议。

提出的方法

• 该协议采用Lewis-Riesenfeld不变量的逆工程方法，设计时变电脉冲，以加速相干转移并保持类似绝热的行为。
• 该方法首先应用于三量子点系统，实现从第一量子点到最后一量子点的直接转移，且中间量子点占据可忽略。
• 对于更大规模的阵列，该协议通过将长链等效为具有工程化边缘耦合的三能级系统，建立有效类比。
• 脉冲幅度与操作时间成反比，使得转移速度超过标准的绝热通道相干转移（CTAP）。
• 通过求解Lindblad主方程验证该方法，评估在退相干条件下的保真度，其中退相干被建模为马尔可夫噪声通道。
• 该方法可推广至自旋转移，且可使用标准的栅极结构与可调栅压实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用绝热捷径技术在不占据中间量子点的情况下加速量子点阵列中的长程电荷转移？
• RQ2 在真实环境中，该转移协议的保真度如何依赖于操作时间和退相干？
• RQ3 逆工程方法是否能优于反绝热驱动，实现高保真度的直接非绝热转移？
• RQ4 在所提出的协议中，脉冲强度与操作时间之间存在何种权衡？
• RQ5 该协议是否足够鲁棒，可实现在具有有限退相干时间的实际半导体量子点平台上的应用？

主要发现

• 基于逆工程的STA实现了量子点阵列中外侧量子点之间快速、直接的电荷转移，且中间量子点占据可忽略，这与反绝热协议不同。
• 通过缩短操作时间，该协议的保真度高于标准CTAP，从而抑制了退相干效应。
• 所需脉冲幅度与操作时间成反比，使得在比CTAP更低的峰值强度下实现更快转移，降低了加热风险。
• 通过STA缩短操作时间，即使在退相干条件下，保真度仍保持较高，表明对退相干具有鲁棒性。
• 该方法可推广至自旋转移，且可在现有的栅控量子点架构中实现，包括Si/SiGe和GaAs/AlGaAs平台。
• 该协议为多量子比特量子点系统中高保真度量子态转移提供了可扩展且实验可行的路径。