Nuevo esquema para el control de qubits en un sistema multinivel

31 de mayo de 2023

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por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China

Un equipo dirigido por el Prof. Guo Guangcan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) ha logrado un progreso significativo en la investigación de la capacidad de ajuste del sistema cuántico multinivel.

En colaboración con el profesor Hu Xuedong de la Universidad de Buffalo, la Universidad Estatal de Nueva York y Origin Quantum Computing Company Limited, los profesores Guo Guoping, Li Haiou y Gong Ming propusieron un nuevo tipo de puertas cuánticas que pueden lograr un control de qubit resistente al ruido mediante la sintonización los parámetros del campo impulsor. Su trabajo fue publicado en Physical Review Applied.

La manipulación del estado cuántico se aplica ampliamente en sistemas cuánticos como qubits superconductores y puntos cuánticos semiconductores. Un sistema cuántico con niveles de energía simples es fácil de manipular, pero pueden ocurrir interferencias en un sistema multinivel más complicado. Por ejemplo, un sistema de espín semiconductor de dos qubits tiene un modelo teórico de cinco niveles de energía.

Al impulsar un sistema de este tipo, diferentes procesos coherentes dentro del sistema interfieren entre sí, lo que dificulta el análisis y el control del proceso de evolución. Actualmente, la investigación relacionada se limita principalmente a varias condiciones aproximadas, que son desfavorables para un mayor desarrollo de la manipulación de cúbits.

Con el fin de estudiar los efectos de los campos impulsores en los sistemas multinivel, el trabajo anterior a menudo se basó en simulaciones numéricas o redujo los sistemas multinivel a sistemas de dos niveles. Sin embargo, estos métodos no pueden describir exhaustivamente los fenómenos complejos en los experimentos. Por lo tanto, encontrar un marco de referencia adecuado (o vector base) puede simplificar enormemente el problema.

En este trabajo, los investigadores acoplaron un estado de transbordador con todos los demás niveles de energía y lograron un acoplamiento equivalente entre dos niveles de energía al ajustar la amplitud y la frecuencia del estado de transbordador. Esto es posible porque el modelo efectivo de su ingeniería Floquet puede lograr cualquier modelo equivalente deseado ajustando estos parámetros.

Los resultados muestran que dentro del rango de parámetros experimentales, este enfoque puede implementar una amplia gama de acoplamientos mientras se mantiene una alta velocidad de control. Usando este método, los investigadores teóricamente demostraron operaciones de puerta de un solo qubit y dos qubit con fidelidades superiores al 99%. Este modelo puede incluso interpretar algunos efectos novedosos pares e impares no explicados previamente observados en los experimentos.

En este esquema, el estado del transbordador juega un papel crucial. No solo permite un acoplamiento efectivo entre dos niveles de energía, sino que también sirve como medio de medición. Los investigadores pueden realizar mediciones no destructivas de estados cuánticos midiendo el estado del transbordador.

Esta propuesta teórica tiene aplicaciones significativas, ya que los sistemas de niveles de energía múltiples discutidos en este estudio se encuentran en casi todos los demás sistemas físicos, incluidos átomos, iones y qubits superconductores.

Haciendo las mejoras apropiadas al esquema y seleccionando los parámetros adecuados, se puede realizar un control de puerta arbitrario en otros modelos. Este nuevo esquema proporcionó nuevos conocimientos experimentales para las operaciones de puertas cuánticas en sistemas de varios niveles.

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

Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China