Nouveau schéma de contrôle des qubits dans un système à plusieurs niveaux

31 mai 2023

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par l'Université des sciences et technologies de Chine

Une équipe dirigée par le professeur Guo Guangcan de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) a fait des progrès significatifs dans la recherche sur l'accordabilité des systèmes quantiques à plusieurs niveaux.

En collaboration avec le professeur Hu Xuedong de l'Université de Buffalo, de l'Université d'État de New York et d'Origin Quantum Computing Company Limited, les professeurs Guo Guoping, Li Haiou et Gong Ming ont proposé un nouveau type de portes quantiques capables d'obtenir un contrôle qubit résistant au bruit en ajustant les paramètres du champ moteur. Leurs travaux ont été publiés dans Physical Review Applied.

La manipulation d'état quantique est largement appliquée dans les systèmes quantiques comme les qubits supraconducteurs et les points quantiques semi-conducteurs. Un système quantique avec des niveaux d'énergie simples est facile à manipuler, mais des interférences peuvent se produire dans un système multiniveaux plus compliqué. Par exemple, un système de spin semi-conducteur à deux qubits a un modèle théorique de cinq niveaux d'énergie.

Lors de la conduite d'un tel système, différents processus cohérents au sein du système interfèrent les uns avec les autres, ce qui rend difficile l'analyse et le contrôle du processus d'évolution. Actuellement, la recherche connexe est principalement limitée à diverses conditions approximatives, qui sont défavorables au développement ultérieur de la manipulation des qubits.

Afin d'étudier les effets des champs moteurs sur les systèmes multiniveaux, les travaux antérieurs se sont souvent appuyés sur des simulations numériques ou ont réduit les systèmes multiniveaux à des systèmes à deux niveaux. Cependant, ces méthodes ne peuvent pas décrire de manière exhaustive les phénomènes complexes dans les expériences. Par conséquent, trouver un cadre de référence approprié (ou vecteur de base) peut grandement simplifier le problème.

Dans ce travail, les chercheurs ont couplé un état navette avec tous les autres niveaux d'énergie et ont obtenu un couplage équivalent entre deux niveaux d'énergie en ajustant l'amplitude et la fréquence de l'état navette. Ceci est possible car le modèle effectif de leur ingénierie Floquet peut atteindre n'importe quel modèle équivalent souhaité en ajustant ces paramètres.

Les résultats montrent que dans la plage des paramètres expérimentaux, cette approche peut mettre en œuvre une large gamme de couplages tout en maintenant une vitesse de contrôle élevée. En utilisant cette méthode, les chercheurs ont théoriquement démontré des opérations de porte à un seul qubit et à deux qubits avec des fidélités supérieures à 99 %. Ce modèle peut même interpréter certains nouveaux effets impairs-pairs précédemment inexpliqués observés dans les expériences.

Dans ce schéma, l'état navette joue un rôle crucial. Il permet non seulement un couplage efficace entre deux niveaux d'énergie, mais sert également de moyen de mesure. Les chercheurs peuvent effectuer des mesures non destructives des états quantiques en mesurant l'état de la navette.

Cette proposition théorique a des applications importantes, car les systèmes multi-niveaux d'énergie discutés dans cette étude se retrouvent dans presque tous les autres systèmes physiques, y compris les atomes, les ions et les qubits supraconducteurs.

En apportant des améliorations appropriées au schéma et en sélectionnant des paramètres appropriés, un contrôle de porte arbitraire peut être réalisé dans d'autres modèles. Ce nouveau schéma a fourni de nouvelles perspectives expérimentales pour les opérations de porte quantique dans les systèmes à plusieurs niveaux.

Plus d'information: 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

Fourni par l'Université des sciences et technologies de Chine