[论文解读] A many-body singlet prepared by a central spin qubit

Leon Zaporski, Stijn R. de Wit+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 3被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种三阶段量子协议，利用中心自旋量子比特将两个致密核自旋集合初始化为纯反极化态，并通过受控动力学随后生成多体 singlet 态——一种高度纠缠且抗退相干的量子态。该方法即使在真实退相干条件下也能实现高保真度的 singlet 态制备，在金刚石 NV 中心和量子点等多种材料平台上均表现出鲁棒性。

ABSTRACT

Controllable quantum many-body systems are platforms for fundamental investigations into the nature of entanglement and promise to deliver computational speed-up for a broad class of algorithms and simulations. In particular, engineering entanglement within a dense spin ensemble can turn it into a robust quantum memory or a computational platform. Recent experimental progress in dense central spin systems motivates the design of algorithms that use a central-spin qubit as a convenient proxy for the ensemble. Here we propose a protocol that uses a central spin to initialize two dense spin ensembles into a pure anti-polarized state and from there creates a many-body entangled state -- a singlet -- from the combined ensemble. We quantify the protocol performance for multiple material platforms and show that it can be implemented even in the presence of realistic levels of decoherence. Our protocol introduces an algorithmic approach to preparation of a known many-body state and to entanglement engineering in a dense spin ensemble, which can be extended towards a broad class of collective quantum states.

研究动机与目标

• 该论文旨在解决在致密自旋集合中缺乏对粒子间相位的直接控制的问题，这限制了纠缠工程的实现。
• 旨在克服在总极化度较低的系统中制备纯的、高度纠缠的多体量子态（如 singlet 态）的挑战。
• 目标是开发一种可扩展的、基于算法的协议，利用中心自旋量子比特作为代理，以构建集体量子态。
• 研究如何在具有实验相关退相干和非均匀超精细场的真实材料中，实现高保真度的 singlet 态制备。

提出的方法

• 该协议通过中心自旋量子比特实现对称性破缺，以控制致密集合中两种不同自旋种类之间的相对相位。
• 采用三阶段流程：(1) 利用中心自旋控制将两个集合初始化为反极化态，(2) 施加受控相互作用以生成叠加态，(3) 演化为多体 singlet 态。
• 该协议利用中心自旋介导的有效全连接耦合，诱导集体动力学与纠缠。
• 采用速率方程模型分析布居动力学与退相位效应，以优化门控参数。
• 通过在 I1 ≠ I2 通道中进行完整量子动力学模拟，验证该协议在真实条件下的性能。
• 应用梯度下降优化以调节控制脉冲，成本函数基于 singlet 保真度与收敛时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使初始极化度较低，中心自旋量子比特是否可用于在致密核自旋集合中制备纯多体 singlet 态？
• RQ2 在金刚石 NV 中心和量子点等材料中，该协议在真实退相干水平和非均匀超精细场下的表现如何？
• RQ3 对称性破缺在实现对粒子间相位的控制及促进 singlet 形成中起什么作用？
• RQ4 该协议的保真度如何随系统尺寸和退相位率在不同物理平台上的变化而变化？
• RQ5 该协议能否被优化以实现高保真度 singlet 态制备，同时保持最低限度的控制复杂度？

主要发现

• 该协议通过利用中心自旋控制管理粒子间相位，即使从低极化度开始，也能在致密自旋集合中实现高保真度的多体 singlet 态制备。
• 模拟结果表明，该协议在真实退相干水平下仍具鲁棒性，保真度在 10^4 至 10^6 个自旋集合中得以保持。
• 速率方程模型确认，退相位和布居衰减是主要的误差通道，但当门控时间被优化时，协议仍具有效性。
• 通过梯度下降优化，门控保真度得到提升，收敛时间减少，成本函数基于 singlet 布居与相位相干性。
• 该协议表明，中心自旋量子比特可作为在致密集合中构建复杂多体量子态（包括 singlet 态）的可扩展代理。
• 该方法可在非旋转参考系中实现 singlet 态的自动重聚焦，提升稳定性并降低对控制误差的敏感性。