[论文解读] Improving the coherence time of a quantum system via a coupling with an unstable system
本文提出了一种反直觉的方法，通过将氮空位（NV）中心与一个高度不稳定的超导通量量子比特耦合，来延长其退相干时间。通过杂化作用，一种暗态出现，其退相干时间显著长于单独的NV中心，即使该通量量子比特的退相干时间仅为数百纳秒，从而为量子信息处理提供了一条被动且稳健的长寿命量子比特实现路径。
Here, we propose a counter-intuitive use of a hybrid system where the coherence time of a quantum system is actually improved via a coupling with an unstable system. If we couple a two-level system with a single NV center, then a dark state of the NV center naturally forms after the hybridization. We show that this dark state becomes robust against environmental fluctuations due to the coupling even when the coherence time of the two-level system is much shorter than that of the NV center. Our proposal opens a new way to use a quantum hybrid system for the realization of robust quantum information processing
研究动机与目标
- 为解决诸如NV中心等量子系统中退相干时间短这一基本挑战，该挑战限制了其在量子信息处理中的应用。
- 探究将一个稳定的量子系统（NV中心）与一个不稳定的系统（如超导通量量子比特）耦合，是否能产生反直觉的退相干增强效应。
- 证明通过NV中心与不稳定系统杂化形成的暗态，能够对环境噪声表现出鲁棒性。
- 提出一种可行的被动协议，以延长退相干时间，而无需主动纠错或精确脉冲控制。
- 建立一种新的量子杂化系统范式，即一个组分的不稳定性可增强另一组分的稳定性。
提出的方法
- 系统通过包含NV中心、两能级系统（TLS）及其磁相互作用的哈密顿量进行建模，其中TLS由超导通量量子比特表示。
- 相互作用哈密顿量包括通过NV中心自旋与通量量子比特磁矩之间的磁偶极-偶极相互作用产生的塞曼耦合。
- 理论分析识别出一种暗态，即NV中心基态的叠加态，由于对称性与杂化作用而与环境解耦。
- 在低频磁噪声下，利用具有高斯权重函数的随机相位退相干模型评估暗态的退相干时间。
- 数值模拟计算了暗态的保真度衰减，并与仅NV中心的回声限制退相干时间进行比较。
- 即使通量量子比特的T2短至500 ns，该协议仍表现出鲁棒性，暗态的退相干时间超过1 ms。
实验结果
研究问题
- RQ1将一个稳定的量子系统（NV中心）与一个不稳定的两能级系统（如超导通量量子比特）耦合，是否能产生寿命更长的量子态？
- RQ2在杂化系统中，暗态如何比其组分更鲁棒地抵抗环境相位退相干？
- RQ3暗态的退相干时间如何依赖于不稳定系统退相干特性？
- RQ4当不稳定系统的退相干时间比NV中心短几个数量级时，该效应是否仍可观察到？
- RQ5该暗态是否可在可扩展的量子信息架构中作为可控且长寿命的量子比特使用？
主要发现
- 通过将NV中心与超导通量量子比特耦合形成的暗态，即使在通量量子比特的T2仅为500 ns时，其退相干时间仍超过1 ms。
- 该暗态的退相干时间显著长于仅NV中心的回声限制退相干时间，后者通常在数百微秒量级。
- 退相干时间的提升是被动的，无需使用如动态解耦或自旋回声等主动脉冲序列。
- 即使耦合系统（通量量子比特）高度不稳定，该暗态仍保持稳定，展示了反直觉的鲁棒性机制。
- 暗态保真度衰减缓慢，当通量量子比特的T2为无穷大时，衰减速率1/Γ ≈ 1.2 ms，表明其具有长寿命退相干特性。
- 该机制与腔量子电动力学中的暗态根本不同，其稳定性源于杂化诱导的解耦，而非避免激发态。
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