[論文レビュー] Quantum Memory in the Ultrastrong-Coupling Regime via Parity Symmetry Breaking

Roberto Stassi, Franco Nori|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、キャビティ-QED系における超強結合状態を用いて、ジョセフソン量子ビットのデ coherent 化を防ぐ手法を提案する。縦方向結合はエネルギー緩和を抑制し、横方向結合は純粋な位相化を抑制する。パリティ対称性の破れとダイナミカルデカップリングを活用することで、著者らは、自己調整可能な準位を用いた状態の保存と回収が可能な、より長いコher ンス時間の実現を示した。

ABSTRACT

Quantum systems are affected by interactions with their environments, causing decoherence through two processes: pure dephasing and energy relaxation. For quantum information processing it is important to increase the coherence time of Josephson qubits and other artificial two-level atoms. We show theoretically that if the coupling between these qubits and a cavity field is longitudinal and in the ultrastrong-coupling regime, the system is strongly protected against relaxation. Vice versa, if the coupling is transverse and in the ultrastrong-coupling regime, the system is protected against pure dephasing. Taking advantage of the relaxation suppression, we show that it is possible to enhance their coherence time and use these qubits as quantum memories. Indeed, to preserve the coherence from pure dephasing, we prove that it is possible to apply dynamical decoupling. We also use an auxiliary atomic level to store and retrieve quantum information.

研究の動機と目的

• 超伝導量子ビットにおけるデ coherent 化という重要な課題に取り組み、これが量子情報処理への応用を制限する要因であることを明らかにすること。
• キャビティ-QED系における超強結合が、対称性保護によって緩和と位相化をどのように抑制できるかを調査すること。
• 向上したコヒーレンス時間によって、設計された結合状態を用いた実用的な量子メモリの運用が可能になることを示すこと。
• ダイナミカルデカップリングと補助準位を組み合わせたプロトコルを構築し、信頼性の高い量子状態の保存と回収を実現すること。

提案手法

• 超強結合状態における量子ビット-キャビティ系の理論的分析を行い、縦方向および横方向の結合構成を焦点とする。
• パリティ対称性の破れを活用した保護：縦方向結合は緩和を抑制し、横方向結合は位相化を抑制する。
• ダイナミカルデカップリングシーケンスを適用し、横方向結合系における残存する位相化をさらに抑制する。
• 量子情報を保存および回収可能にするために、補助的な原子準位を導入する。
• 超強結合下での有効ハミルトニアンの導出により、対称性保護された部分空間を特定する。
• 数値的および解析的モデル化により、両方の結合タイプ下でのコヒーレンス時間の向上を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ-QED系における超強縦方向結合は、ジョセフソン量子ビットのエネルギー緩和を抑制できるか？
• RQ2 超強横方向結合は、パリティ対称性の破れによって純粋な位相化を防げるか？
• RQ3 ダイナミカルデカップリングを結合状態の選択と組み合わせることで、さらにコヒーレンス時間を延長できるか？
• RQ4 補助準位を用いることで、この保護された状態で信頼性の高い量子状態の保存と回収が可能になるか？
• RQ5 これらの保護メカニズムによって、定量的にどの程度コヒーレンス時間が向上するか？

主な発見

• 縦方向の超強結合は、固有状態におけるパリティ対称性の破れにより、エネルギー緩和に対して強く保護する。
• 横方向の超強結合は、同様の対称性保護によって純粋な位相化を抑制し、長寿命な重ね合わせ状態を実現する。
• ダイナミカルデカップリングは、横方向結合系でさえも残存する位相化を緩和することで、さらにコヒーレンスを向上させる。
• 対称性保護とダイナミカルデカップリングの組み合わせにより、標準的な緩和限界を超える顕著なコヒーレンス時間の延長が可能になる。
• 補助的な原子準位を用いることで、保護された部分空間内において、最小限のデ coherent 化で量子情報の coherent な保存と回収が可能になる。
• 理論的分析により、両方の結合状態下で緩和と位相化がそれぞれ抑制されていることが確認され、頑健な量子メモリ運用が可能になる。