[论文解读] Information transfer and orthogonality speed via pulsed-driven qubit

N. Metwally, Saad S. M. Hassan|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2012

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文研究了在旋转波近似（RWA）及其之外的脉冲驱动量子比特中的信息传输与正交性速度。结果表明，保真度与信息交换高度依赖于初始状态参数（θ, φ），当θ与φ较小时，可实现更高的保真度与更快的正交性速度，尤其在共振附近。在非RWA情形下，保真度随微扰参数λ增大而提高，但信息交换显著增强。

ABSTRACT

We investigate the transfer and exchange information between a single qubit system excited by a rectangular pulse. The dynamics of the system is treated within and outside rotating wave approximation (RWA). The initial state of the qubit plays an important role for sending information with high fidelity. Within RWA, and as the fidelity of the transformed information increases the exchange information with the environment increases. For increasing values of atomic detuning, the fidelity decreases faster and the exchange information has an upper limit. Outside RWA,the fidelity of the transformed information increases as one increases the perturbation parameter. However the exchange information is very high compared with that within RWA. The orthogonality speed of the travelling qubit is investigated for different classes of initial atomic state settings and field parameters.

研究动机与目标

• 分析由矩形脉冲驱动的单量子比特中信息传输的动力学行为。
• 评估初始原子态（θ, φ）在决定与环境之间保真度与信息交换中的作用。
• 研究正交性速度作为量子通信速度的代理，随场参数与态参数变化的演变。
• 比较在RWA内与外的保真度、信息交换与正交性速度结果。
• 确定实现高保真度、快速量子信息传输的最优初始态与场参数。

提出的方法

• 建模一个由时间依赖拉比频率Ω(t) = Ωf(t)驱动的两能级原子（量子比特），其中f(t) = 1当t ∈ [0, T]，否则为0。
• 在旋转系中推导自旋算符（σ±, σz）的海森堡运动方程，包含RWA与非RWA项。
• 在RWA内使用精确解，非RWA情形下使用迭代解，计算密度矩阵与布洛赫向量分量的时间演化。
• 将保真度定义为初始态与最终态之间的重叠，信息交换定义为与驱动脉冲的纠缠或关联程度。
• 通过密度算符的非对角矩阵元|Sp_ij|量化正交性速度，该值在态相互正交时周期性消失。
• 在不同初始态（θ, φ）、失谐Δ与微扰参数（λ）下进行数值模拟，以描绘动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RWA下，量子比特的初始态（θ, φ）如何影响信息传输的保真度？
• RQ2 原子失谐（Δ）对量子比特与驱动脉冲之间保真度与信息交换有何影响？
• RQ3 正交性速度（作为量子信息传输速率的指标）如何随初始态与场参数变化？
• RQ4 当排除旋转波近似（非RWA）时，与RWA下的结果有何差异？
• RQ5 微扰参数λ在非RWA情形下对保真度与信息交换起何作用？

主要发现

• 在RWA内，初始角θ与φ越小，信息传输保真度显著提高，当θ = π/2，φ = 10⁻³π时，最大保真度趋近于1。
• 在大失谐Δ下，保真度迅速下降，而与环境的最大信息交换量保持有界，且受Δ影响较小。
• 在非RWA情形下，随着微扰参数λ增大，信息传输的最小保真度提高，但信息交换量显著高于RWA情形。
• 正交性速度（以|Sp_ij|衡量）在θ与φ较小时最高；当θ = π/2，φ = 10⁻³π时，|Sp_ij|周期性消失，表明实现快速且完全的信息传输。
• 在非共振情形（Δ = 0.7）下，|Sp_ij|不周期性消失，表明信息传输不完全，环境仅获得部分信息。
• 在非RWA情形下，随着λ增大与相位角φ增大，正交性速度下降，且在较小激发角θ（如θ = π/8）时进一步降低，表明计算速度变慢。