[论文解读] Quantum Computing in the Dark

Ben Tregenna, Almut Beige+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2001

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 1

一句话总结

本文提出一种利用光学腔中原子实现量子计算的方案，通过纯粹的动力学机制实现退相干免疫操作，而非依赖环境诱导的量子Zeno效应。研究表明自发辐射被显著抑制，从而实现稳定的量子比特与门操作，因此该方法被称为‘暗态中的量子计算’，因其表现出类似于三能级原子的宏观暗期。

ABSTRACT

Decoherence-free subspaces allow for the preparation of coherent and entangled qubits for quantum computing. Decoherence can be dramatically reduced, yet dissipation is an integral part of the scheme in generating stable qubits and manipulating them via one and two bit gate operations. Previous explanations of decoherence-free operations have used an environment-induced quantum Zeno effect. In this paper a purely dynamical explanation is given for why the scheme based on atoms inside an {\\em optical cavity} works. In addition, we show how spontaneous emission by the atoms can be highly suppressed. Because the system behaves very similarly to three-level atoms exhibiting macroscopic dark periods the proposed scheme can be called ``quantum computing in the dark.''

研究动机与目标

• 开发一种不依赖量子Zeno效应的退相干免疫量子计算框架。
• 通过展示耗散可被利用而非避免，解决量子系统中的耗散挑战。
• 为基于腔的量子计算中量子比特的稳定性提供动力学解释。
• 证明原子量子比特在光学腔内自发辐射的显著抑制。

提出的方法

• 利用被捕获在光学腔中的原子构建具有内在退相干免疫子空间的系统。
• 利用原子与腔模之间的动力学相互作用来稳定量子比特态。
• 将系统建模为表现出宏观暗期的三能级构型。
• 应用量子光学技术分析自发辐射速率及其抑制。
• 采用幺正演化与主方程方法描述系统的动力学。
• 证明可通过暗态子空间内的受控相互作用实现门操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖量子Zeno效应的情况下抑制量子计算系统中的退相干？
• RQ2 何种动力学机制使得在腔QED系统中能够实现稳定量子比特制备与操控？
• RQ3 原子处于光学腔内时，自发辐射能在多大程度上被抑制？
• RQ4 为何某些原子-腔系统表现出类似于三能级原子的宏观暗期？
• RQ5 此类退相干免疫子空间中的一量子比特与两量子比特门操作能否被稳健实现？

主要发现

• 通过腔介导相互作用中的动力学抵消，该方案实现了自发辐射的有效抑制。
• 系统表现出宏观暗期，表明在无需外部控制的情况下可维持长寿命相干性。
• 退相干并未被消除，而是通过原子-腔系统内在动力学得以管理。
• 该方法提供了退相干免疫操作的纯粹动力学解释，取代了对量子Zeno效应的依赖。
• 一量子比特与两量子比特门操作可在暗态子空间中稳定实现。
• 该系统的行为与电磁感应透明中的三能级原子极为相似，从而实现稳健的量子信息处理。