[论文解读] Many-body localization protected quantum state transfer

Norman Y. Yao, Chris R. Laumann+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种在无限温度下通过边界量子比特处于对称保护拓扑（SPT）相的非简谐一维自旋链中实现受保护的量子态传输的协议。通过动态调节非平庸相与平庸相之间的边界，量子信息在无需连续自旋回声的情况下被相干传输，且通过pSWAP操作实现通用受控-Y门，展示了对热效应和多体局域化效应的鲁棒性。

ABSTRACT

In thermal phases, the quantum coherence of individual degrees of freedom is rapidly lost to the environment. Many-body localized (MBL) phases limit the spread of this coherence and appear promising for quantum information applications. However, such applications require not just long coherence times but also a means to transport and manipulate information. We demonstrate that this can be done in a one dimensional model of interacting spins at infinite temperature. Our protocol utilizes protected qubits which emerge at the boundary between topological and trivial phases. State transfer occurs via dynamic shifts of this boundary and is shown to preserve quantum information. As an example, we discuss the implementation of a universal, two-qubit gate based upon MBL-protected quantum state transfer.

研究动机与目标

• 在强相互作用、无序的多体系统中实现高温度下的相干量子态传输，其中标准协议因热退相干而失效。
• 克服传统量子信道依赖超低温或工程化少体系统所带来的局限性。
• 利用多体局域化（MBL）和对称保护拓扑（SPT）相来保护量子信息，无需连续动力学解耦。
• 通过MBL保护的边缘量子比特实现通用两量子比特门，使无序、高能系统中的可扩展量子计算成为可能。
• 表明通过动态边界调节可实现快速、相干的量子比特穿梭，使门速度相对于退相干时间呈指数级提升。

提出的方法

• 利用一维自旋链中非平庸相与SPT绝缘相界面处的边界量子比特，其受对称性保护而免受退相干影响。
• 通过调节局域场实现动态边界调节，以相干方式在空间位置间穿梭边缘量子比特，同时保持量子信息。
• 依赖MBL相中局部能隙的存在，以保护静态量子比特存储和动态态传输。
• 通过SPT区域中算符的海森堡演化构建pSWAP门，实现在边缘量子比特之间的受控纠缠操作。
• 在边缘量子比特旁引入辅助量子比特，通过MBL保护的演化实现通用量子门（如受控-Y门）。
• 优化斜坡时间和保持时间，以匹配非均匀无序中的相位累积，确保在145种无序实现中保真度 >90%。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在强相互作用、无序的多体系统中，在无限温度下实现无需连续自旋回声的量子态传输？
• RQ2 SPT相的边界量子比特是否可被动态调节以实现相干的量子信息传输？
• RQ3 多体局域化是否能在有限能量密度下同时保护静态存储和动态穿梭协议中的量子相干性？
• RQ4 是否可在无序、高温系统中通过MBL保护的边缘量子比特实现通用两量子比特门？
• RQ5 通过将量子比特更靠近以实现穿梭，是否可使门速度呈指数级提升，从而克服pSWAP门的指数级变慢？

主要发现

• 该协议在无限温度下一维自旋链中实现了相干量子态传输，在145种无序实现中保真度 >90%。
• 动态边界调节可实现边缘量子比特的相干穿梭，即使在热激发和无序存在下也无退相干。
• 通过SPT区域中海森堡演化实现的pSWAP门，可在辅助量子比特之间实现通用受控-Y门。
• 通过将量子比特更靠近，门时间从 ∼e^ℓ 显著缩短至 ∼e^{ℓ−m}（m 次穿梭步骤），实现指数级提升。
• 边缘量子比特的相干时间约为 ∼e^ℓ，而每次穿梭步骤耗时 ∼1/h²，使门速度相对于退相干时间实现指数级增强。
• 该协议无需初始化或连续自旋回声，而是依赖SPT边界对称性保护和局域化诱导的能隙。