Nuovo schema per il controllo dei qubit in un sistema multilivello

31 maggio 2023

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dall’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina

Un team guidato dal Prof. Guo Guangcan dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) ha compiuto progressi significativi nella ricerca sulla sintonizzabilità dei sistemi quantistici multilivello.

Collaborando con il professor Hu Xuedong dell'Università di Buffalo, della State University di New York e con la Origin Quantum Computing Company Limited, i professori Guo Guoping, Li Haiou e Gong Ming hanno proposto un nuovo tipo di porte quantistiche in grado di ottenere il controllo dei qubit resistenti al rumore mediante la sintonizzazione i parametri del campo di guida. Il loro lavoro è stato pubblicato su Physical Review Applied.

La manipolazione dello stato quantistico è ampiamente applicata nei sistemi quantistici come qubit superconduttori e punti quantici semiconduttori. Un sistema quantistico con livelli energetici semplici è facile da manipolare, ma possono verificarsi interferenze in un sistema multilivello più complicato. Ad esempio, un sistema di spin semiconduttore a due qubit ha un modello teorico di cinque livelli energetici.

Quando si guida un tale sistema, diversi processi coerenti all’interno del sistema interferiscono tra loro, rendendo difficile l’analisi e il controllo del processo di evoluzione. Attualmente, la ricerca correlata è per lo più limitata a varie condizioni approssimative, che sono sfavorevoli per l’ulteriore sviluppo della manipolazione dei qubit.

Per studiare gli effetti dei campi guida sui sistemi multilivello, il lavoro precedente si è spesso basato su simulazioni numeriche o ha ridotto i sistemi multilivello a sistemi a due livelli. Tuttavia, questi metodi non possono descrivere in modo completo i complessi fenomeni negli esperimenti. Pertanto, trovare un sistema di riferimento (o vettore base) adatto può semplificare notevolmente il problema.

In questo lavoro, i ricercatori hanno accoppiato uno stato navetta con tutti gli altri livelli energetici e hanno ottenuto un accoppiamento equivalente tra due livelli energetici qualsiasi sintonizzando l’ampiezza e la frequenza dello stato navetta. Ciò è possibile perché il modello effettivo della loro ingegneria Floquet può ottenere qualsiasi modello equivalente desiderato regolando questi parametri.

I risultati mostrano che all'interno dell'intervallo dei parametri sperimentali, questo approccio può implementare un'ampia gamma di accoppiamenti mantenendo un'elevata velocità di controllo. Utilizzando questo metodo, i ricercatori hanno teoricamente dimostrato operazioni di gate a singolo e due qubit con fedeltà superiore al 99%. Questo modello può anche interpretare alcuni nuovi effetti pari-dispari precedentemente inspiegabili osservati negli esperimenti.

In questo schema, lo stato navetta gioca un ruolo cruciale. Non solo consente un accoppiamento efficace tra due livelli di energia qualsiasi, ma serve anche come mezzo di misurazione. I ricercatori possono condurre misurazioni non distruttive degli stati quantistici misurando lo stato dello shuttle.

Questa proposta teorica ha applicazioni significative, poiché i sistemi a livello multi-energia discussi in questo studio si trovano in quasi tutti gli altri sistemi fisici, inclusi atomi, ioni e qubit superconduttori.

Apportando opportuni miglioramenti allo schema e selezionando parametri adeguati, è possibile realizzare un controllo arbitrario del gate in altri modelli. Questo nuovo schema ha fornito nuove intuizioni sperimentali per le operazioni delle porte quantistiche nei sistemi multilivello.

Maggiori informazioni: Yuan Zhou et al, Sintonizzazione completa e dinamica quantistica coerente di un sistema multilivello guidato, revisione fisica applicata (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.044053

Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina