[论文解读] Multipartite quantum correlations and coherence dynamics subjected to classical environments and fractional Gaussian noise

Atta Ur Rahman, Muhammad Javed+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 2

一句话总结

本研究在具有分数阶高斯噪声的经典环境中，研究了四量子比特GHZ态的纠缠与相干性动力学，分析了四种耦合方案。结果表明，通过参数优化，公共耦合或双粒子耦合可显著增强纠缠的保有性，完全抑制噪声引起的突然消失与复活现象，并通过提高Hurst参数延迟衰减，使GHZ态在量子信息处理中更具鲁棒性。

ABSTRACT

We address the dynamical map of entanglement and coherence in a four qubit maximally entangled GHZ states coupled with classical environments driven by fractional Gaussian noise. The system-environment coupling is assumed in four different schemes: common, bipartite, tripartite, and independent system-environment configuration. We show that entanglement preservation can be modeled in multipartite GHZ-like states using parameter optimization in the current local environments except for the independent configuration. The decay is characterized by monotonous functions in time and the exact fluctuating behaviour of the local fields, as well as entanglement sudden death and birth revivals, are completely suppressed. Not only noise, but also the nature of qubit-environment coupling and the number of independent environments coupled, have dephasing effects on the entanglement and coherence preservation. Furthermore, as the Hurst parameter of fractional Gaussian noise is increased, the decay becomes delayed initially. Finally, the four-qubit GHZ state is found to be a good resource for quantum information processing that can withstand noise dissipation, particularly under a common noise source.

研究动机与目标

• 研究四量子比特GHZ态在经典噪声环境下的多体纠缠与量子相干性动力学行为。
• 考察不同系统-环境耦合构型（公共、双粒子、三粒子及独立）对纠缠与相干性保有性的影响。
• 确定Hurst参数在调制分数阶高斯噪声下量子关联衰减动力学中的作用。
• 评估GHZ态在真实噪声条件下作为量子信息处理资源的鲁棒性。

提出的方法

• 采用四量子比特GHZ态与具有分数阶高斯噪声的经典环境耦合的动力学映射模型，描述系统-环境相互作用。
• 分析四种不同的耦合方案：公共、双粒子、三粒子及独立，以比较其对纠缠与相干性的影响。
• 在局部环境中实施参数优化以增强纠缠保有性，但独立构型除外。
• 使用时变函数表征纠缠衰减，显示单调行为，无突然消失或复活现象。
• 引入Hurst参数作为控制参数，以调节分数阶高斯噪声的相关性结构。
• 对主方程应用精确解析解，推导量子关联与相干性的时间演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 系统-环境耦合构型的选择如何影响四量子比特GHZ态中纠缠与相干性的保有性？
• RQ2 在局部环境中实施参数优化是否能抑制多体系统中纠缠的突然消失与复活动力学？
• RQ3 Hurst参数对分数阶高斯噪声下量子关联衰减速率有何影响？
• RQ4 量子比特-环境耦合的性质及独立环境数量在多大程度上影响相位退相干效应？
• RQ5 在何种条件下，四量子比特GHZ态在经典噪声下仍可作为量子信息处理的可行资源？

主要发现

• 通过参数优化，公共耦合与双粒子耦合方案可有效增强纠缠保有性，而独立耦合无法抑制衰减。
• 纠缠与相干性的衰减随时间单调变化，未出现纠缠突然消失或复活现象。
• 提高分数阶高斯噪声的Hurst参数可延迟衰减的开始，表明其具有类似记忆的效应，可更长时间地保持量子关联。
• 独立环境的数量与耦合结构显著影响相位退相干，分布式耦合构型下观察到更强的退相干效应。
• 四量子比特GHZ态对噪声耗散表现出鲁棒性，尤其在共同噪声源作用下，使其成为量子信息任务中极具前景的资源。