[论文解读] Speeding up gate operations through dissipation

Almut Beige, Hugo Cable+2 more|ArXiv.org|May 30, 2004

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出利用受控消散——具体而言，即激发原子态的自发衰变和腔光子损耗——来加速原子-腔系统中的量子门操作。通过利用消散辅助绝热通道，作者证明，受控相位门和SWAP门的运行速度可比绝热 regime 快约两倍，即使在有限衰变速率下，仍可实现超过99%的门保真度和接近90%的成功率。

ABSTRACT

It is commonly believed that decoherence is the main obstacle to quantum information processing. In contrast to this, we show how decoherence in the form of dissipation can improve the performance of certain quantum gates. As an example we consider the realisations of a controlled phase gate and a two-qubit SWAP operation with the help of a single laser pulse in atom-cavity systems. In the presence of spontaneous decay rates, the speed of the gates can be improved by a factor 2 without sacrificing high fidelity and robustness against parameter fluctuations. Even though this leads to finite gate failure rates, the scheme is comparable with other quantum computing proposals.

研究动机与目标

• 探究是否可将消散（通常被视为有害因素）加以利用，以提升量子计算中门操作的速度。
• 解决绝热量子门操作中速度与保真度之间的权衡，特别是在捕获原子-腔系统中的情况。
• 证明有限衰变速率可稳定非绝热动力学，从而保持高保真度与鲁棒性。
• 表明消散辅助绝热通道可在不牺牲性能的前提下实现更快的门操作。
• 提供一种实验可行、对参数波动具有鲁棒性的单激光脉冲两比特门方案。

提出的方法

• 系统采用一个Λ型三能级原子处于高精细度光学腔中，激光耦合至基态与激发态。
• 在旋转波近似和对激发态进行绝热消除的条件下，推导出有效哈密顿量，得到条件相位门或SWAP门的哈密顿量。
• 通过含腔衰减率κ和原子自发辐射率Γ的Lindblad主方程建模消散。
• 通过数值求解无光子子空间的演化，重点研究在非绝热条件下基态简并空间的动力学。
• 通过使用一个拉比频率轮廓为Ω₀(t) = 2Ω_max sin²(½Ω_max t)的单激光脉冲实现门操作，确保总演化时间T = 2π/Ω_max。
• 通过模拟初始贝尔态|00⟩和|01⟩在条件哈密顿量下的时间演化，评估保真度与成功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用消散来加速量子门操作而不降低保真度？
• RQ2 有限衰变速率在多大程度上可稳定量子门操作中的非绝热动力学？
• RQ3 非绝热性与消散之间的相互作用如何影响门保真度与成功率？
• RQ4 单激光脉冲方案能否实现对参数波动具有鲁棒性的高保真度两比特门？
• RQ5 消散辅助绝热通道的性能是否与标准绝热方案相当或更优？

主要发现

• 受控相位门的运行速度可达到标准绝热方案的两倍，当κ = 0.1g且Γ = 0.016g时，门保真度超过99%，成功率达90%。
• 对于SWAP门，性能相似：当1/T = 0.04g，且κ = 0.1g、Γ = 0.016g时，保真度超过99%，成功率超过90%。
• 最优门操作速度出现在1/T = 0.065g处，此时成功率峰值达90%，这是由于非绝热误差与衰减引起的校正之间达到平衡。
• 有限衰变速率（Γ > 0）可校正激发态|a⟩中的非绝热布居，从而实现在绝热区之外的稳定运行。
• 该方案对参数波动具有鲁棒性，门性能对拉比频率和失谐的波动不敏感。
• 通过绝热消除推导出两种门的有效哈密顿量，导致在无光子子空间中实现所需酉操作的条件演化。