[论文解读] Universally shortcuts to adiabatic passage for generation of Greenberger-Horne-Zeilinger states by transitionless quantum driving

Ye‐Hong Chen, Yan Xia+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2014

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

本文提出了一种快速、鲁棒的方案，通过结合无跃迁量子驱动与量子Zeno动力学及非共振激光，在三原子系统中制备Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态。通过构建绝热通道的速成路径，该方法在显著缩短的时间内实现了高保真度的GHZ态制备，同时对退相干和操作误差保持鲁棒性。

ABSTRACT

Berry's approach on quantum driving shows how to set a Hamiltonian which drives the dynamics of a system along instantaneous eigenstates of a reference Hamiltonian to reproduce the same final result of an adiabatic process in a shorter time. In this paper, motivated by transitionless quantum driving, we construct shortcuts to adiabatic passage in a three-atom system to create the Greenberger-Horne-Zeilinger states with the help of quantum Zeno dynamics and of non-resonant lasers. The influence of various decoherence processes is discussed by numerical simulation and the result proves that the scheme is fast and robust against decoherence and operational imperfection.

研究动机与目标

• 为克服传统绝热过程在制备纠缠Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态时速度缓慢的问题。
• 缓解实际中限制量子态制备保真度的退相干与操作不完善问题。
• 开发一种基于速成路径的方法，以加速绝热态制备，同时保持最终态的保真度。
• 整合量子Zeno动力学与非共振激光，以增强态制备协议中的控制力与稳定性。

提出的方法

• 采用Berry的无跃迁量子驱动框架，设计一个哈密顿量，使系统沿参考哈密顿量的瞬时本征态演化。
• 实施量子Zeno动力学以抑制不必要的跃迁，并在演化过程中稳定目标态。
• 利用非共振激光介导原子间的相互作用，实现对系统动力学的精确控制。
• 构建绝热通道的速成路径，消除对缓慢演化的需求，同时保持绝热过程的最终态。
• 制定有效哈密顿量与控制场，以确保快速且精确地演化至所需的GHZ态。
• 进行数值模拟，评估该方案在真实退相干与操作不完善模型下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 无跃迁量子驱动能否在三原子系统中以高保真度有效生成GHZ态？
• RQ2 量子Zeno动力学与非共振激光的结合在多大程度上提升了GHZ态制备的鲁棒性？
• RQ3 与标准绝热协议相比，所提出的方案在多大程度上缓解了退相干与操作误差？
• RQ4 使用该速成路径实现高保真度GHZ态制备所需的最短演化时间是多少？
• RQ5 在所提出的方案中，系统保真度在真实噪声与控制不完善条件下的缩放特性如何？

主要发现

• 所提出的方案在显著短于传统绝热过程的时间内实现了Greenberger-Horne-Zeilinger态的高保真度制备。
• 数值模拟证实，该方案对包括自发辐射与相位退相干在内的多种退相干过程均保持鲁棒性。
• 量子Zeno动力学的整合有效抑制了不必要的跃迁，增强了演化过程中的态稳定性。
• 非共振激光在不引发额外跃迁的前提下实现了原子间的有效耦合，提升了控制精度。
• 即使在操作不完善条件下，该方法仍保持高保真度，展现出实验实现的可行性。
• 基于速成路径的方法成功复现了绝热演化过程的最终态，同时大幅缩短了所需演化时间。