[论文解读] Activating information backflow with the assistance of quantum SWITCH

Ananda G. Maity, Samyadeb Bhattacharya|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

该论文表明，量子开关（quantum SWITCH）可在原本非马尔可夫但不表现出信息回流的动态映射中激活信息回流。通过叠加两个此类通道的顺序，有效动力学同时失去CP-可分性和P-可分性，从而触发此前隐藏的非马尔可夫性，而这种非马尔可夫性无法通过相同通道的串行或并行组合实现。

ABSTRACT

There are certain dynamics while being non-Markovian, do never exhibit information backflow. We show that if two such dynamical maps are considered in a scenario where the order of application of these two dynamical maps are not definite, the effective channel can manifest information backflow. In particular, we use quantum SWITCH to activate such a channel. In contrast, activation of those channels are not possible even if one uses many copies of such channels in series or in parallel action. We then investigate the dynamics behind the quantum SWITCH experiment and find out that after the action of quantum SWITCH both the CP (Complete Positive)- divisibility and P (Positive)- divisibility of the channel breaks down, along with the activation of information backflow. Our study elucidate the advantage of quantum SWITCH by investigating its dynamical behavior.

研究动机与目标

• 研究在标准动力学下不表现出信息回流的非马尔可夫通道中，信息回流是否可被激活。
• 确定标准方法（如通道的串行或并行组合）是否能激活隐藏的非马尔可夫性。
• 探讨通过量子开关实现不定因果序在使原本无回流通道中实现信息回流中的作用。
• 分析切换通道中CP-可分性和P-可分性的动力学破坏，作为激活非马尔可夫性的根本原因。

提出的方法

• 作者使用量子开关协议，相干地叠加两个各自为非马尔可夫但标准条件下不表现出信息回流的量子通道的顺序。
• 他们将有效通道建模为两个具有时间依赖衰减率Γ₁、Γ₂和Γ₃的动态映射的组合，其中Γ₃ = −tanh(t)。
• 分析聚焦于有效通道的可分性特性，特别是CP-可分性和P-可分性。
• 通过分析两个初始态之间迹距离的时间导数，推导出信息回流开始的条件。
• 通过求解A(t*) − B(t*) = 0，计算信息回流最早发生的特征时间t*，其中A(t)和B(t)为随时间演化的振幅函数。
• 数值与解析解均表明，当初始态为|1⟩⟨1|和|2⟩⟨2|时，t* ≈ 0.67，与模拟结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准动力学演化下不表现出信息回流的非马尔可夫通道中，信息回流是否可被激活？
• RQ2 此类通道的串行或并行组合是否可实现信息回流的激活？
• RQ3 通过量子开关激活非马尔可夫性的动力学机制是什么？
• RQ4 在切换通道中，CP-可分性和P-可分性如何被破坏以实现信息回流？
• RQ5 初始态在决定信息回流起始时间方面起什么作用？

主要发现

• 通过量子开关，成功在原本非马尔可夫但标准动力学下不表现出信息回流的通道中激活了信息回流。
• 该激活无法通过任意数量的相同通道的串行或并行组合实现，凸显了不定因果序的唯一作用。
• 有效切换通道同时破坏了CP-可分性和P-可分性，这是实现信息回流的根本机制。
• 信息回流最早可被触发的时间为t* ≈ 0.67，由给定初始态下A(t*) − B(t*) = 0的条件推导得出。
• 起始时间t*依赖于初始态参数，其解由条件e^{t*}(A(t*) − B(t*))/A(t*) = ±χ(0)控制。
• t*的解析解与图3所示的数值结果一致，验证了模型的一致性。