[论文解读] Synchronization and subradiance as signatures of entangling bath between superconducting qubits

Marco Cattaneo, Gian Luca Giorgi+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 7

一句话总结

本文研究了两个超导量子比特之间通过共同的阻抗浴（bath）耦合时，如何诱导产生纠缠、同步和亚辐射——这些现象可作为非马尔可夫性、纠缠型浴动力学的特征信号。通过建立两个任意子比特（transmon qubits）耦合至共同电阻器的模型，作者表明，同步与亚辐射可作为纠缠的可靠指标，且集体性度量能紧密追踪纠缠动力学，从而提供一个可扩展的量子模拟平台。

ABSTRACT

A common environment acting on two superconducting qubits can give rise to a plethora of phenomena, such
 as the generation of entanglement between the qubits that, beyond its importance for quantum computation tasks, also enforces a change of strategy in quantum error correction protocols. Further effects induced by a common bath are quantum synchronization and subradiance. Contrary to entanglement, for which full-state to- mography is necessary, the latter can be assessed by detection of local observables only. In this work we explore different regimes to establish when synchronization and subradiance can be employed as reliable signatures of an entangling common bath. Moreover, we address a recently proposed measure of the collectiveness of the dynamics driven by the bath, and find that it almost perfectly witnesses the behavior of entanglement. Finally, we propose an implementation of the model based on two transmon qubits capacitively coupled to a common resistor, which may be employed as a versatile quantum simulation platform of the open system in general regimes.

研究动机与目标

• 在不进行完整态层析的情况下，识别超导量子比特系统中纠缠型共同浴的可靠特征信号。
• 研究同步与亚辐射是否可作为浴诱导纠缠的间接可观测指标。
• 评估近期提出的集体性度量在开放量子系统纠缠动力学中作为隐喻（witness）的有效性。
• 提出一种基于超导任意子比特耦合至共同电阻器的实验实现方案，用于量子模拟。

提出的方法

• 建立两个超导任意子比特通过电容耦合至共同电阻器的模型，以模拟共同浴。
• 分析系统在不同耦合区域的动力学行为，识别同步与亚辐射出现的条件。
• 采用近期提出的动态集体性度量，与纠缠演化进行对比。
• 利用局域可观测量检测同步与亚辐射，而无需完整态层析。
• 推导并求解开放量子系统的主方程，以研究非马尔可夫效应。
• 基于该模型设计一个可扩展的量子模拟平台，以供实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，同步与亚辐射可作为纠缠型共同浴的可靠指标？
• RQ2 所提出的集体性度量与系统中实际纠缠生成的相关性如何？
• RQ3 局域可观测量是否可在不进行完整态层析的情况下检测同步与亚辐射？
• RQ4 在共同浴存在的情况下，亚辐射与纠缠之间存在何种关系？
• RQ5 如何利用现有超导量子比特技术实现所提出的模型？

主要发现

• 同步与亚辐射作为纠缠型共同浴的稳健特征信号，仅通过局域测量即可检测。
• 集体性度量与纠缠动力学高度一致，可作为纠缠生成的有效隐喻。
• 亚辐射与纠缠强相关，表明集体辐射过程可作为非经典关联的信号。
• 所提出的两个任意子比特耦合至共同电阻器的模型，可实现开放系统动力学的实验验证。
• 系统表现出非马尔可夫行为，其中浴诱导的关联导致持久纠缠与集体辐射。
• 研究结果表明，同步与亚辐射可作为超导量子处理器中纠缠浴的实用且可扩展的指标。