Neues Schema zur Qubit-Steuerung in einem Mehrebenensystem

31. Mai 2023

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von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

Ein Team unter der Leitung von Prof. Guo Guangcan von der University of Science and Technology of China (USTC) hat erhebliche Fortschritte bei der Erforschung der Abstimmbarkeit von Quantensystemen auf mehreren Ebenen erzielt.

Die Professoren Guo Guoping, Li Haiou und Gong Ming haben in Zusammenarbeit mit Professor Hu die Parameter des Fahrfeldes. Ihre Arbeit wurde in Physical Review Applied veröffentlicht.

Die Manipulation von Quantenzuständen wird in Quantensystemen wie supraleitenden Qubits und Halbleiterquantenpunkten häufig angewendet. Ein Quantensystem mit einfachen Energieniveaus ist leicht zu manipulieren, in einem komplizierteren Mehrebenensystem kann es jedoch zu Interferenzen kommen. Beispielsweise verfügt ein Zwei-Qubit-Halbleiter-Spinsystem über ein theoretisches Modell mit fünf Energieniveaus.

Beim Antrieb eines solchen Systems stören verschiedene kohärente Prozesse innerhalb des Systems einander, was die Analyse und Steuerung des Evolutionsprozesses erschwert. Derzeit beschränkt sich die diesbezügliche Forschung meist auf verschiedene Näherungsbedingungen, die für die weitere Entwicklung der Qubit-Manipulation ungünstig sind.

Um die Auswirkungen von Antriebsfeldern auf Mehrebenensysteme zu untersuchen, stützten sich frühere Arbeiten häufig auf numerische Simulationen oder reduzierten Mehrebenensysteme auf Zweiebenensysteme. Allerdings können diese Methoden die komplexen Phänomene in den Experimenten nicht umfassend beschreiben. Daher kann das Finden eines geeigneten Referenzrahmens (oder Basisvektors) das Problem erheblich vereinfachen.

In dieser Arbeit koppelten die Forscher einen Shuttle-Zustand mit allen anderen Energieniveaus und erreichten eine äquivalente Kopplung zwischen zwei beliebigen Energieniveaus, indem sie die Amplitude und Frequenz des Shuttle-Zustands abstimmten. Dies ist möglich, weil das effektive Modell ihrer Floquet-Technik durch Abstimmung dieser Parameter jedes gewünschte äquivalente Modell erreichen kann.

Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Ansatz innerhalb des experimentellen Parameterbereichs ein breites Spektrum an Kopplungen implementieren und gleichzeitig eine hohe Regelgeschwindigkeit beibehalten kann. Mit dieser Methode demonstrierten die Forscher theoretisch Single-Qubit- und Two-Qubit-Gate-Operationen mit einer Genauigkeit von über 99 %. Dieses Modell kann sogar einige bisher ungeklärte neuartige ungerade-gerade-Effekte interpretieren, die in Experimenten beobachtet wurden.

In diesem Schema spielt der Shuttle-Zustand eine entscheidende Rolle. Es ermöglicht nicht nur eine effektive Kopplung zwischen zwei beliebigen Energieniveaus, sondern dient auch als Messmittel. Forscher können zerstörungsfreie Messungen von Quantenzuständen durchführen, indem sie den Shuttle-Zustand messen.

Dieser theoretische Vorschlag hat bedeutende Anwendungsmöglichkeiten, da die in dieser Studie diskutierten Systeme mit mehreren Energieniveaus in fast allen anderen physikalischen Systemen zu finden sind, einschließlich Atomen, Ionen und supraleitenden Qubits.

Durch entsprechende Verbesserungen des Schemas und Auswahl geeigneter Parameter kann eine beliebige Gate-Steuerung in anderen Modellen realisiert werden. Dieses neue Schema lieferte neue experimentelle Erkenntnisse für Quantengatteroperationen in Mehrebenensystemen.

Mehr Informationen: Yuan Zhou et al., Vollständige Abstimmbarkeit und quantenkohärente Dynamik eines angetriebenen Mehrebenensystems, Physical Review Applied (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.044053

Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China