[論文レビュー] Photon-mediated interactions: a scalable tool to create and sustain entangled many-body states

Camille Aron, Manas Kulkarni+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、エンジニアド・ディスシペーションを用いて、空間的に分離されたキュービットにおいてスケーラブルで光子を介した方式により、W状態を生成・維持する手法を提案する。共鳴器QEDとコherent光送信を活用することで、高い忠実度のエンタングルメントと無期限の安定性を達成し、超伝導回路や他の光子ネットワークにおいて実現可能性を示している。

ABSTRACT

Generation and sustenance of entangled many-body states is of fundamental and applied interest. Recent experimental progress in the stabilization of two-qubit Bell states in superconducting quantum circuits using an autonomous feedback scheme [S. Shankar et al., Nature 504, 419 (2013)] has demonstrated the effectiveness and robustness of driven-dissipative approaches, i.e. engineering a fine balance between driven-unitary and dissipative dynamics. Despite the remarkable theoretical and experimental progress in those approaches for superconducting circuits, no demonstrably scalable scheme exists to drive an arbitrary number of spatially separated qubits to a desired entangled quantum many-body state. Here we propose and study such a scalable scheme, based on engineering photon-mediated interactions, for driving a register of spatially separated qubits into multipartite entangled states. We demonstrate how generalized W-states can be generated with remarkable fidelities and the entanglement sustained for an indefinite time. The protocol is primarily discussed for a superconducting circuit architecture but is ideally realized in any platform that permits controllable delivery of coherent light to specified locations in a network of Cavity QED systems.

研究の動機と目的

• 空間的に分離されたキュービットを任意の数にわたって所望のエンタングルド多体状態に誘導するためのスケーラブルな手法の欠如に対処すること。
• 直接的なキュービット-キュービット結合が不要な大規模キュービットレジスタに容易に拡張できない既存の駆動-散逸的スキームの制限を克服すること。
• 光子を介した相互作用に基づくプロトコルを開発し、耐障害性が高く忠実度の高いエンタングルメント生成と無期限の持続性を実現すること。
• 超伝導量子回路におけるこのスキームの実現可能性を示し、他の光子ネットワークプラットフォームへの拡張性を示すこと。

提案手法

• プロトコルは、キャビティQEDアーキテクチャにおいて共通の光子モードを介して空間的に分離されたキュービットを結合する、エンジニアド光子媒介相互作用を用いる。
• ユニタリー進化と意図的に設計された散逸のバランスを取る駆動-散逸的アプローチを採用し、目的のエンタングルド状態を安定化する。
• ネットワーク内の特定のノードへのコherent光送信を活用することで、直接結合なしにキュービット相互作用を制御可能にする。
• 目的の状態は一般化されたW状態であり、エンジニアドジャンプ演算子を備えた注意深く設計された Lindblad マスター方程式を通じて準備・安定化される。
• 各キュービットが共有キャビティモードに結合されるスケーラブルな設計であり、長距離エンタングルメントを媒介する。
• 理論的分析により、現実的なノイズおよびデ coherent モデル下でもプロトコルの安定性と忠実度が確認されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的操作と光子を介した相互作用のみを用いて、空間的に分離されたキュービットにおいてスケーラブルで長期間にわたる多粒子エンタングルド状態を生成できるか？
• RQ2 直接的なキュービット-キュービット結合なしに、駆動-散逸的ダイナミクスをどのように設計すれば、複数のキュービットに特定のW状態を安定化できるか？
• RQ3 現実的な散逸およびデ coherent 効果下で、生成されたエンタングルド状態の達成可能な忠実度と寿命はどの程度か？
• RQ4 ネットワーキングアーキテクチャにおいて、キュービット数の増加に伴い、このプロトコルの耐障害性とスケーラビリティはどの程度向上するか？
• RQ5 このスキームは、超伝導回路を越えて、他の光子量子プラットフォームへ一般化可能か？

主な発見

• プロトコルにより、理想状態下では理論的限界に近い非常に高い忠実度で一般化W状態が生成可能である。
• 駆動-散逸的設計に内在する自己調整フィードバック機構のおかげで、エンタングルメントは無期限に維持される。
• 局所的キュービット-キャビティ相互作用と共通の光子モードに依存するため、複雑な直接キュービット結合を回避できることから、スケーラブルである。
• Lindbladマスター方程式の数値シミュレーションにより、デ coherent およびノイズに対して耐障害性があることが確認された。
• コherent光送信が可能でノードがネットワーク化された任意のシステムに、この手法は移植可能である。
• 理論的分析により、目的のW状態に対応する安定な固定点が存在することが確認され、長期的な安定性が保証される。