[论文解读] Quantum Memory in the Ultrastrong-Coupling Regime via Parity Symmetry Breaking

Roberto Stassi, Franco Nori|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 3

一句话总结

本文提出在腔量子电动力学（cavity-QED）系统中利用超强耦合机制，以保护约瑟夫森量子比特免受退相干影响：纵向耦合抑制能量弛豫，而横向耦合抑制纯相位退相干。通过利用宇称对称性破缺与动力学解耦，作者展示了相干时间的显著提升，实现了利用辅助能级进行量子态存储与读取的鲁棒量子存储操作。

ABSTRACT

Quantum systems are affected by interactions with their environments, causing decoherence through two processes: pure dephasing and energy relaxation. For quantum information processing it is important to increase the coherence time of Josephson qubits and other artificial two-level atoms. We show theoretically that if the coupling between these qubits and a cavity field is longitudinal and in the ultrastrong-coupling regime, the system is strongly protected against relaxation. Vice versa, if the coupling is transverse and in the ultrastrong-coupling regime, the system is protected against pure dephasing. Taking advantage of the relaxation suppression, we show that it is possible to enhance their coherence time and use these qubits as quantum memories. Indeed, to preserve the coherence from pure dephasing, we prove that it is possible to apply dynamical decoupling. We also use an auxiliary atomic level to store and retrieve quantum information.

研究动机与目标

• 为解决超导量子比特中退相干这一关键挑战，该挑战限制了其在量子信息处理中的应用。
• 探讨在腔-QED系统中超强耦合如何通过对称性保护机制抑制弛豫与相位退相干。
• 证明增强的相干时间可实现基于工程化耦合机制的实际量子存储操作。
• 开发一种结合动力学解耦与辅助能级的协议，以实现可靠的量子态存储与读取。

提出的方法

• 对处于超强耦合 regime 的量子比特-腔系统进行理论分析，重点关注纵向与横向耦合构型。
• 利用宇称对称性破缺实现系统保护：纵向耦合抑制弛豫，横向耦合抑制相位退相干。
• 应用动力学解耦序列以进一步抑制横向耦合系统中的残余相位退相干。
• 引入一个辅助原子能级，实现在不显著退相干情况下的量子信息存储与读取。
• 在超强耦合条件下推导有效哈密顿量，以识别对称性保护的子空间。
• 通过数值与解析建模，验证在两种耦合类型下相干时间的增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在腔-QED系统中，超强纵向耦合能否抑制约瑟夫森量子比特的能量弛豫？
• RQ2 在超强横向耦合下，通过宇称对称性破缺能否有效抑制纯相位退相干？
• RQ3 如何将动力学解耦与耦合类型选择相结合，以进一步延长相干时间？
• RQ4 辅助能级能否在该保护机制下实现可靠的量子态存储与读取？
• RQ5 通过这些保护机制可实现的相干时间定量提升程度如何？

主要发现

• 由于系统本征态中宇称对称性的破缺，纵向超强耦合可对能量弛豫提供强保护。
• 通过类似对称性保护机制，横向超强耦合可抑制纯相位退相干，从而实现长寿命的叠加态。
• 动力学解耦通过缓解残余相位退相干，进一步增强了相干性，即使在横向耦合系统中亦然。
• 对称性保护与动力学解耦的结合，使相干时间显著延长，超越标准弛豫极限。
• 辅助原子能级可在受保护子空间中实现量子信息的相干存储与读取，且退相干极低。
• 理论分析证实，在各自耦合机制下，弛豫与相位退相干均被有效抑制，从而实现鲁棒的量子存储操作。