Novo esquema para controle de qubit em um sistema multinível

31 de maio de 2023

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pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China

Uma equipe liderada pelo Prof. Guo Guangcan, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC), fez progressos significativos na pesquisa de sintonização de sistemas quânticos multiníveis.

Colaborando com o professor Hu Xuedong da University at Buffalo, State University of New York e Origin Quantum Computing Company Limited, os professores Guo Guoping, Li Haiou e Gong Ming propuseram um novo tipo de portas quânticas que podem obter controle qubit resistente ao ruído por meio do ajuste os parâmetros do campo de condução. Seu trabalho foi publicado na Physical Review Applied.

A manipulação do estado quântico é amplamente aplicada no sistema quântico, como qubits supercondutores e pontos quânticos semicondutores. Um sistema quântico com níveis de energia simples é fácil de manipular, mas interferências podem ocorrer em um sistema multinível mais complicado. Por exemplo, um sistema de spin semicondutor de dois qubits tem um modelo teórico de cinco níveis de energia.

Ao conduzir tal sistema, diferentes processos coerentes dentro do sistema interferem entre si, dificultando a análise e o controle do processo de evolução. Atualmente, a pesquisa relacionada é limitada principalmente a várias condições aproximadas, que são desfavoráveis ​​para o desenvolvimento da manipulação de qubits.

Para estudar os efeitos dos campos de direção em sistemas multiníveis, trabalhos anteriores frequentemente se baseavam em simulações numéricas ou sistemas multiníveis reduzidos a sistemas de dois níveis. No entanto, esses métodos não podem descrever de forma abrangente os fenômenos complexos nos experimentos. Portanto, encontrar um referencial adequado (ou vetor de base) pode simplificar muito o problema.

Neste trabalho, os pesquisadores acoplaram um estado de transporte com todos os outros níveis de energia e alcançaram um acoplamento equivalente entre quaisquer dois níveis de energia ajustando a amplitude e a frequência do estado de transporte. Isso é possível porque o modelo efetivo de sua engenharia Floquet pode alcançar qualquer modelo equivalente desejado ajustando esses parâmetros.

Os resultados mostram que, dentro da faixa de parâmetros experimentais, esta abordagem pode implementar uma ampla gama de acoplamentos, mantendo alta velocidade de controle. Usando esse método, os pesquisadores demonstraram teoricamente operações de porta de qubit único e de dois qubits com fidelidades superiores a 99%. Este modelo pode até mesmo interpretar alguns novos efeitos ímpares até então inexplicáveis ​​observados em experimentos.

Neste esquema, o estado de transporte desempenha um papel crucial. Ele não apenas permite o acoplamento efetivo entre quaisquer dois níveis de energia, mas também serve como um meio de medição. Os pesquisadores podem realizar medições não destrutivas de estados quânticos medindo o estado de transporte.

Esta proposta teórica tem aplicações significativas, pois os sistemas multinível de energia discutidos neste estudo são encontrados em quase todos os outros sistemas físicos, incluindo átomos, íons e qubits supercondutores.

Ao fazer melhorias apropriadas no esquema e selecionar parâmetros adequados, o controle arbitrário do portão pode ser realizado em outros modelos. Esse novo esquema forneceu novos insights experimentais para operações de portas quânticas em sistemas de vários níveis.

Mais Informações: Yuan Zhou et al, Full Tunability and Quantum Coherent Dynamics of a Driven Multilevel System, Physical Review Applied (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.044053

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China