[论文解读] Photon-mediated interactions: a scalable tool to create and sustain entangled many-body states

Camille Aron, Manas Kulkarni+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种可扩展的、基于光子的方案，利用工程化耗散在空间分离的量子比特中生成并维持多体纠缠的W态。通过利用具有相干光传输的腔量子电动力学，该协议实现了高保真度的纠缠和无限期的长期稳定性，展示了在超导电路及其他光子网络中的可行性。

ABSTRACT

Generation and sustenance of entangled many-body states is of fundamental and applied interest. Recent experimental progress in the stabilization of two-qubit Bell states in superconducting quantum circuits using an autonomous feedback scheme [S. Shankar et al., Nature 504, 419 (2013)] has demonstrated the effectiveness and robustness of driven-dissipative approaches, i.e. engineering a fine balance between driven-unitary and dissipative dynamics. Despite the remarkable theoretical and experimental progress in those approaches for superconducting circuits, no demonstrably scalable scheme exists to drive an arbitrary number of spatially separated qubits to a desired entangled quantum many-body state. Here we propose and study such a scalable scheme, based on engineering photon-mediated interactions, for driving a register of spatially separated qubits into multipartite entangled states. We demonstrate how generalized W-states can be generated with remarkable fidelities and the entanglement sustained for an indefinite time. The protocol is primarily discussed for a superconducting circuit architecture but is ideally realized in any platform that permits controllable delivery of coherent light to specified locations in a network of Cavity QED systems.

研究动机与目标

• 解决缺乏可扩展方法来将任意数量的空间分离量子比特驱动至所需纠缠多体态的问题。
• 克服现有驱动-耗散方案在扩展至大数量量子比特寄存器时的局限性。
• 开发一种基于光子介导相互作用的协议，以实现鲁棒、高保真度的纠缠生成和无限期可持续性。
• 展示该方案在超导量子电路中的可行性，并可扩展至其他光子网络平台。

提出的方法

• 该协议利用工程化光子介导相互作用，通过腔量子电动力学架构中的公共光子模式耦合空间分离的量子比特。
• 它采用驱动-耗散方法，通过单位演化与定制耗散的平衡来稳定目标纠缠态。
• 该方案利用相干光传输至网络中的特定节点，实现在无需直接耦合的情况下对量子比特相互作用进行控制。
• 目标态为广义W态，通过精心设计的具有工程化跃迁算符的林德布拉德主方程实现制备与稳定。
• 该协议设计为可扩展，每个量子比特均耦合至一个共享的腔模，以介导长程纠缠。
• 理论分析证实，该协议在现实噪声和退相干模型下仍具有稳定性和保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过局部操作和光子介导相互作用，在空间分离的量子比特中生成可扩展的、长寿命的多体纠缠态？
• RQ2 如何工程化驱动-耗散动力学，以在无直接量子比特-量子比特耦合的情况下在多个量子比特上稳定特定的W态？
• RQ3 在现实的耗散和退相干效应下，生成的纠缠态可达到的保真度和寿命是多少？
• RQ4 该协议在具有更多量子比特的网络化架构中，其鲁棒性和可扩展性在多大程度上得以保持？
• RQ5 该方案能否推广至超导电路之外的其他光子量子平台？

主要发现

• 该协议在理想条件下可实现接近理论极限的广义W态，保真度极为出色。
• 由于驱动-耗散设计中固有的自适应反馈机制，纠缠可无限期维持。
• 该方案具有可扩展性，因其依赖于局部量子比特-腔耦合和公共光子模式，避免了复杂的直接量子比特耦合。
• 数值模拟林德布拉德主方程证实，该协议对退相干和噪声具有鲁棒性。
• 该方法可迁移至其他平台，包括任何支持对网络节点进行可控相干光传输的系统。
• 理论分析证实，存在一个对应于目标W态的稳定固定点，从而确保长期稳定性。