マルチレベルシステムにおける量子ビット制御のための新しいスキーム

2023 年 5 月 31 日

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中国科学技術大学による

中国科学技術大学（USTC）のGuo Guangcan教授率いるチームは、多レベル量子システムの調整可能性の研究で大きな進歩を遂げた。

バッファロー大学の胡雪東教授、ニューヨーク州立大学、オリジン量子コンピューティング社と協力して、郭国平教授、李海王教授、ゴンミン教授は、チューニングによってノイズ耐性のある量子ビット制御を実現できる新しいタイプの量子ゲートを提案した。ドライビングフィールドのパラメータ。 彼らの研究は『Physical Review Applied』に掲載されました。

量子状態操作は、超伝導量子ビットや半導体量子ドットなどの量子システムに広く適用されています。 単純なエネルギーレベルを持つ量子システムは操作が簡単ですが、より複雑なマルチレベルシステムでは干渉が発生する可能性があります。 たとえば、2 量子ビットの半導体スピン系には 5 つのエネルギー準位の理論モデルがあります。

このようなシステムを駆動する場合、システム内の異なる一貫したプロセスが相互に干渉し、進化プロセスの分析と制御が困難になります。 現在、関連する研究は主にさまざまな近似条件に限定されており、量子ビット操作のさらなる開発には不利です。

マルチレベル システムに対する駆動場の影響を研究するために、これまでの研究では、数値シミュレーションに依存したり、マルチレベル システムを 2 レベル システムに縮小したりすることがよくありました。 しかし、これらの方法では実験における複雑な現象を包括的に説明することはできません。 したがって、適切な参照フレーム (または基底ベクトル) を見つけると、問題を大幅に単純化できます。

この研究では、研究者らはシャトル状態を他のすべてのエネルギー準位と結合し、シャトル状態の振幅と周波数を調整することで任意の 2 つのエネルギー準位間の等価結合を実現しました。 これが可能なのは、彼らの Floquet エンジニアリングの効果的なモデルが、これらのパラメーターを調整することで任意の同等のモデルを実現できるためです。

結果は、実験パラメータの範囲内で、このアプローチは高い制御速度を維持しながら幅広い範囲のカップリングを実装できることを示しています。 研究者らは、この方法を使用して、99%を超える忠実度で単一量子ビットおよび2量子ビットのゲート操作を理論的に実証しました。 このモデルは、実験で観察されたこれまで説明されていなかった新しい奇偶効果を解釈することもできます。

このスキームでは、シャトルの状態が重要な役割を果たします。 これは、任意の 2 つのエネルギー レベル間の効果的な結合を可能にするだけでなく、測定手段としても機能します。 研究者はシャトル状態を測定することで、量子状態の非破壊測定を行うことができます。

この研究で議論されているマルチエネルギー準位系は、原子、イオン、超伝導量子ビットなど、他のほとんどすべての物理系に見られるため、この理論的提案には重要な応用分野があります。

スキームを適切に改良し、適切なパラメータを選択することで、他のモデルでも任意のゲート制御を実現できます。 この新しいスキームは、マルチレベルシステムにおける量子ゲート動作に対する新たな実験的洞察を提供しました。

詳しくは： Yuan Zhou 他、「駆動されたマルチレベル システムの完全な調整可能性と量子コヒーレント ダイナミクス」、Physical Review Applied (2023)。 DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.044053

中国科学技術大学提供