[논문 리뷰] Nitrogen-Vacancy Center as Open-Quantum-System Simulator

Chao Lei, Shijie Peng외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 06.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 56인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 질소빈공(NV) 중심에서 환경에 의해 유도되는 디코herence를 제어하기 위해 맞춤형 펄스 시퀀스를 사용하는 하이브리드 양자 시뮬레이션 방법을 제안한다. 디코herence는 결함이 아니라 제어 가능한 자원으로 간주된다. 디지털 양자 제어와 아날로그 시스템-환경 결합을 조합함으로써, 다양한 비대각 성분에 대해 공명 시간을 정밀하게 조절할 수 있으며, NV 중심에서 개방 양자 시스템 역학을 실험적으로 구현 가능한 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum mechanical systems lose coherence through interactions with external environments---a process known as decoherence. Although decoherence is detrimental for most of the tasks in quantum information processing, a substantial degree of decoherence is crucial for boosting the efficiency of quantum processes, for example, in quantum biology. The key to the success in simulating those open quantum systems is therefore the ability of controlling decoherence, instead of eliminating it. Here we focus on the problem of simulating quantum open systems with Nitrogen-Vacancy centers, which has become an increasingly important platform for quantum information processing tasks. Essentially, we developed a new set of steering pulse sequences for controlling various coherence times of Nitrogen-Vacancy centers; our method is based on a hybrid approach that exploits ingredients in both digital and analog quantum simulations to dynamically couple or decouple the system with the physical environment. Our numerical simulations, based on experimentally-feasible parameters, indicate that decoherence of Nitrogen-Vacancy centers can be controlled externally to a very large extend.

연구 동기 및 목표

• 디코herence를 억제하는 대신 제어함으로써 개방 양자 시스템을 시뮬레이션하는 방법을 개발하는 것.
• 기존의 동적 분리 기법이 시스템 순도를 유지하는 데 목적이 있다는 점을 고려할 때, 이를 초월하여 제어 가능한 디코herence를 설계하는 것.
• 실험적으로 실현 가능한 펄스 시퀀스를 사용하여 NV 중심에서 다양한 비대각 밀도 행렬 성분에 대해 공명 시간을 외부에서 제어할 수 있도록 하는 것.
• 하이브리드 디지털-아날로그 제어를 통해 NV 중심이 스케일러블 플랫폼으로서 개방 양자 시스템을 시뮬레이션하는 데 기여할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 디지털 양자 시뮬레이션(유니타리 연산을 통한)과 아날로그 시스템-환경 결합(해밀토니안 진동을 통한)을 조합한 하이브리드 접근법을 사용한다.
• 스위프 게이트(u_ij)와 시간 진동 연산자(e^{-iH_SBT})의 조합을 통해 특정 비대각 밀도 행렬 성분에 대한 효과적인 디코herence 비율을 설계한다.
• 펄스 시퀀스의 구조는 다음과 같으며, 조절 가능한 대기 시간 t_ij와 t_0를 포함한다: ∏_{i<j} u_ij ∏_{i<j} [e^{-iH_SBT_ij} u_ij] e^{-iH_SBT_0} e^{-i(H_S+H_SB)Δt}.
• 비대각 성분 ρ_ij(t)에 대한 공명 시간 T₂^ij는 T₂^ij = √2 / (σ_b |c_ij(λ, μ₁, μ₂)|)로 해석적으로 유도되며, 여기서 c_ij는 펄스 타이밍 매개변수에 의존한다.
• 이 방법은 타임 에볼루션을 근사하기 위해 트로터 분해를 활용하며, 서로 다른 전이 채널에 대해 디코herence를 독립적으로 제어할 수 있다.
• 이를 바탕으로 펄스 시퀀스를 모든 수준 쌍으로 확장함으로써 d차원 시스템(d ≥ 4)으로 일반화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NV 중심에서 디코herence를 외부적으로 제어하여 개방 양자 시스템 역학을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 특정 비대각 밀도 행렬 성분의 공명 시간을 독립적으로 조절할 수 있도록 펄스 시퀀스를 설계할 수 있는가?
• RQ3 내재된 환경 상호작용을 문제시하는 것이 아니라 자원으로 활용할 수 있는가?
• RQ4 하이브리드 디지털-아날로그 접근법이 NV 중심에서 개방 시스템 역학을 정밀하게 제어할 수 있는가?

주요 결과

• |1⟩↔|0⟩ 전이에 대해 공명 시간 T₂^12는 μ₁ 및 μ₂의 타이밍 매개변수 조정을 통해 증가할 수 있으며, μ₁ 및 μ₂가 λ에 가까워질 때 최적의 제어가 관찰된다.
• |1⟩↔|-1⟩ 전이에 대해선 μ₁ 및 μ₂가 λ에 가까워질수록 T₂^13가 급격히 증가하여 이 공명 채널의 강한 조절 가능성을 보여준다.
• |0⟩↔|-1⟩ 전이에 대한 공명 시간 T₂^23는 매개변수 변화에 비해 상대적으로 안정되어 있어, 서로 다른 전이에 대해 선택적 제어가 가능함을 나타낸다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 세 가지 공명 시간 모두가 분리된 펄스 분리 펄스의 타이밍 매개변수만으로 넓은 범위에서 독립적으로 조절 가능함을 확인하였다.
• 이 방법은 추가 앤실리 큐비트가 필요 없이 디코herence를 제어할 수 있어, 기존의 디지털 개방 시스템 시뮬레이션 접근법과 구별된다.
• 이러한 방법은 현재의 NV 중심 기술로도 실험적으로 실현 가능하며, σ_b 및 Δt와 같은 매개변수들은 현실적인 값으로 설정될 수 있다.