[论文解读] Completely synchronizing quantum channels

Jakub Czartowski, Ronny Müller+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文提出了一种通用机制，可在任意初始条件下，实现开放量子系统中所有子系统之间的完美量子态同步。该研究建立了同步的必要且充分条件，推导出两类主要同步器所需环境维度的紧致下界，并提供了分析构造方法，实验验证基于IBM量子计算机，其中残留的非同步性揭示了器件的非理想性。

ABSTRACT

We investigate the most general mechanisms that lead to perfect synchronization of the quantum states of all subsystems of an open quantum system starting from an arbitrary initial state. We provide a necessary and sufficient condition for such synchronization, prove tight lower bounds on the dimension of the environment's Hilbert space in two main classes of quantum-state synchronizers, and give an analytical solution for their construction. The functioning of the found quantum-state synchronizer of two qubits is demonstrated experimentally on an IBM quantum computer and we show that the remaining asynchronicity is a sensitive measure of the quantum computer's imperfection.

研究动机与目标

• 识别开放量子系统中实现所有子系统之间量子态完美同步的最一般机制。
• 确定所有子系统之间实现完全量子态同步的必要且充分条件。
• 为两类主要同步器中实现同步所需的环境希尔伯特空间维度建立紧致下界。
• 提供一种分析构造方法，用于构建实现完美同步的量子态同步器。
• 在IBM量子计算机上实验演示两量子比特同步器的运行，并将残留非同步性与硬件非理想性关联。

提出的方法

• 推导出开放量子系统中所有子系统之间实现量子态完美同步的必要且充分条件。
• 分析两类主要的量子态同步器，计算实现同步所需环境希尔伯特空间维度的紧致下界。
• 基于推导出的条件与下界，构造显式的解析解以实现同步器。
• 设计一种基于最小环境的两量子比特量子态同步器，采用受控-酉相互作用。
• 在超导IBM量子处理器上对同步器的运行进行实验验证。
• 利用实验结果中的残留非同步性作为量子计算机噪声与退相干的敏感探测手段。

实验结果

研究问题

• RQ1 开放量子系统中所有子系统之间实现量子态完美同步的最一般机制是什么？
• RQ2 两类主要量子态同步器实现完美同步所需的最小环境希尔伯特空间维度是多少？
• RQ3 如何在任意初始条件下，通过分析方法构造量子态同步器以实现完美同步？
• RQ4 在同步系统中，残留非同步性在多大程度上可用于量化量子处理器的实验非理想性？
• RQ5 能否在真实量子计算机上实现并验证两量子比特量子态同步器？其性能揭示了硬件保真度的哪些信息？

主要发现

• 推导出适用于任意初始态的、所有子系统之间实现完全量子态同步的必要且充分条件。
• 为两类主要量子态同步器建立了环境希尔伯特空间维度的紧致下界。
• 提供了量子态同步器的分析构造方法，可系统化设计此类系统。
• 两量子比特同步器已在IBM量子处理器上成功实现，验证了理论框架的可行性。
• 实验结果中发现的残留非同步性是量子计算机非理想性的敏感指标，如退相干与门错误。
• 实验结果证实，非同步程度直接反映了量子硬件的噪声水平与相干时间。