[论文解读] Nitrogen-Vacancy Center as Open-Quantum-System Simulator

Chao Lei, Shijie Peng+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 56被引用 7

一句话总结

本文提出了一种混合量子模拟方法，通过定制脉冲序列控制氮-vacancy (NV) 位点中由环境引起的退相干，将退相干视为可控资源而非缺陷。通过结合数字量子控制与模拟系统-环境耦合，该方法可精确调节不同非对角密度矩阵元的退相干时间，实验证明可在NV位点中实现对开放量子系统动力学的精确控制。

ABSTRACT

Quantum mechanical systems lose coherence through interactions with external environments---a process known as decoherence. Although decoherence is detrimental for most of the tasks in quantum information processing, a substantial degree of decoherence is crucial for boosting the efficiency of quantum processes, for example, in quantum biology. The key to the success in simulating those open quantum systems is therefore the ability of controlling decoherence, instead of eliminating it. Here we focus on the problem of simulating quantum open systems with Nitrogen-Vacancy centers, which has become an increasingly important platform for quantum information processing tasks. Essentially, we developed a new set of steering pulse sequences for controlling various coherence times of Nitrogen-Vacancy centers; our method is based on a hybrid approach that exploits ingredients in both digital and analog quantum simulations to dynamically couple or decouple the system with the physical environment. Our numerical simulations, based on experimentally-feasible parameters, indicate that decoherence of Nitrogen-Vacancy centers can be controlled externally to a very large extend.

研究动机与目标

• 开发一种通过控制退相干而非抑制退相干来模拟开放量子系统的方法。
• 克服传统动态解耦方法的局限性，后者旨在保持系统纯度，而本方法则通过工程化可控退相干实现改进。
• 利用实验上可行的脉冲序列，实现对NV位点中不同非对角密度矩阵元退相干时间的外部控制。
• 证明NV位点可通过混合数字-模拟控制成为模拟开放量子系统的可扩展平台。

提出的方法

• 该方法采用混合方法，结合数字量子模拟（通过酉操作）与模拟系统-环境耦合（通过哈密顿量演化）。
• 通过交换门序列（u_ij）和时间演化算符（e^{-iH_SBT}）来为特定非对角密度矩阵元工程化有效退相干速率。
• 脉冲序列结构设计为：∏_{i<j} u_ij ∏_{i<j} [e^{-iH_SBT_ij} u_ij] e^{-iH_SBT_0} e^{-i(H_S+H_SB)Δt}，其中等待时间t_ij和t_0可调。
• 非对角元ρ_ij(t)的退相干时间T₂^ij的解析推导为T₂^ij = √2 / (σ_b |c_ij(λ, μ₁, μ₂)|)，其中c_ij依赖于脉冲时间参数。
• 该方法利用Trotter分解近似时间演化，并可独立控制不同跃迁通道的退相干。
• 通过将脉冲序列扩展至所有能级对，该方法被推广至d维系统（d ≥ 4）。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可外部控制NV位点中的退相干以模拟开放量子系统动力学？
• RQ2 是否可设计脉冲序列以独立调节特定非对角密度矩阵元的退相干时间？
• RQ3 是否可将内在环境相互作用作为资源而非干扰因素用于量子模拟？
• RQ4 混合数字-模拟方法是否可实现在NV位点中对开放系统动力学的精确控制？

主要发现

• |1⟩↔|0⟩跃迁的退相干时间T₂^12可通过调节时间参数μ₁和μ₂实现增加，当μ₁和μ₂接近λ时观察到最佳控制效果。
• |1⟩↔|-1⟩跃迁的T₂^13在μ₁和μ₂趋近λ时急剧增加，表明该退相干通道具有强可调性。
• |0⟩↔|-1⟩跃迁的T₂^23在参数变化下保持相对稳定，显示出对不同跃迁通道的选择性控制。
• 数值模拟证实，仅通过解耦脉冲的时间参数，即可在宽范围内独立调节全部三个退相干时间。
• 该方法在无需额外辅助量子比特的情况下实现对退相干的控制，与标准数字开放系统模拟方法形成鲜明对比。
• 该方案在当前NV位点技术下具有实验可行性，σ_b和Δt等参数设定为现实值。