[论文解读] Optimal strategy of quantum computing and trade-off between opposite types of decoherence

Robert Alicki, Michał Horodecki+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2003

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 2

一句话总结

本文識別出在存在競爭性退相干類型（馬爾可夫性，指指數衰減；非馬爾可夫性，由操作引起）的量子計算中，最佳閘門速度策略。馬爾可夫性退相干偏好快速閘門，而非馬爾可夫性退相干偏好慢速閘門。當兩者同時存在時，如半導體量子位元中，存在一個最佳中間閘門速度，可平衡此衝突，最小化總體退相干。

ABSTRACT

We study reliable quantum information processing (QIP) under two different types of environment. First type is Markovian exponential decay, and the appropriate elementary strategy of protection of qubit is to apply fast gates. The second one is strongly non-Markovian and occurs solely during operations on the qubit. The best strategy is then to work with slow gates. If the two types are both present, one has to optimize the speed of gate. We show that such a trade-off is present in semiconductor implementation of QIP, where recombination of exciton (qubit) is Markovian, while phonon dressing gives rise to the non-Markovian contribution.

研究动机与目标

• 分析兩種不同的退相干機制——馬爾可夫指數衰減與強非馬爾可夫動力學——對量子資訊處理的影響。
• 在兩種退相干類型共存時，確定最佳閘門速度策略。
• 解決快速閘門（對抗馬爾可夫衰減有效）與慢速閘門（對抗非馬爾可夫效應有效）之間的固有權衡。
• 將理論框架應用於實際的半導體量子位元系統，其中激子復合導致馬爾可夫衰減，而聲子包覆導致非馬爾可夫效應。

提出的方法

• 建模兩種不同的退相干通道：馬爾可夫衰減具有指數弛豫，而非馬爾可夫動力學僅在閘門操作期間出現。
• 分別分析閘門持續時間對每種退相干類型下量子位元保真度的影響。
• 透過最小化馬爾可夫與非馬爾可夫貢獻的總體退相干，推導出最佳閘門速度。
• 將模型應用於半導體量子位元，識別出激子復合作為馬爾可夫來源，聲子包覆作為非馬爾可夫來源。
• 使用量子動力學模擬，比較不同閘門速度下的保真度退化。
• 建立一個權衡函數，以平衡快速與慢速閘門操作的競爭需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 當量子系統中同時存在馬爾可夫與非馬爾可夫退相干時，最佳閘門速度為何？
• RQ2 在競爭性退相干機制下，選擇快速或慢速閘門如何影響量子位元保真度？
• RQ3 在基於半導體的量子計算中，不同閘門操作時間下，哪種退相干通道占主導地位？
• RQ4 能否識別出一個單一的最佳閘門速度，以最小化混合退相干類型系統中的總體退相干？
• RQ5 激子復合與聲子包覆在半導體量子位元中如何以不同方式貢獻於退相干？

主要发现

• 快速閘門可最小化馬爾可夫指數衰減造成的退相干，因其縮短了量子位元暴露於環境的時間。
• 慢速閘門在減輕僅於閘門操作期間出現的非馬爾可夫退相干方面更為有效，因其降低了與環境的耦合。
• 當兩種退相干類型共存時，中間閘門速度可提供最佳平衡，其保真度高於單獨使用快速或慢速閘門。
• 在半導體量子位元中，激子復合導致馬爾可夫衰減，而聲子包覆則引入依賴閘門持續時間的非馬爾可夫效應。
• 最佳閘門速度取決於兩種退相干通道的相對強度與時間依賴性，需進行定量權衡分析。
• 本研究建立了一般性框架，適用於其他物理量子位元實現，其中可能出現類似的雙重退相干機制。