Repeated Bell-basis projections as an entanglement-preserving protocol in noisy two-qubit registers
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044120Ключові слова:
entanglement protection, Bell-state projection, quantum Zeno dynamics, two-qubit register, frequency noise, Ornstein–Uhlenbeck noise, telegraph noise, Poissonian noiseАнотація
Проаналізовано повторювані проєктування рангу 1 на стан Белла як протокол збереження заплутаності для двокубітного регістру за наявності зовнішніх шумів. Регістр взаємодіє з марківським дисипативним середовищем, що описано рівнянням Ліндблада, тоді як кожний кубіт також зазнає класичних флуктуацій частоти із заданою статистикою шуму. Ми зосереджуємося на шумі Орнштейна–Уленбека, при цьому телеграфний та пуассонівський шуми використовуються як додаткові моделі. Для динаміки, усередненої за шумом, виводяться аналітичні асимптотичні вирази, а ефективність оцінюється за допомогою метрики заплутаності та метрики виграшу виживання, що порівнює еволюцію за наявності повторюваних вимірювань з вільним згасанням. Визначено набори параметрів, у яких повторювані проєктування на базис Белла забезпечують стійку перевагу, а також режими, ефективність яких залежить від статистичних параметрів шуму, виявляючи роль негаусових флуктуацій частоти у захисті заплутаності.
Посилання
M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition (Cambridge University Press, 2010).
H.-P. Breuer and F. Petruccione, The Theory of Open Quantum Systems (Oxford University, New York, 2006).
W. H. Zurek, “Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical,” Rev. Mod. Phys. 75, 715 (2003). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.75.715
Y. Makhlin, G. Schön, and A. Shnirman, “Quantum-state engineering with josephson-junction devices,” Rev. Mod. Phys. 73, 357 (2001). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.73.357
S. N. Shevchenko, A. N. Omelyanchouk, and E. Il’ichev, “Multiphoton transitions in josephson-junction qubits (review article),” Low Temp. Phys. 38, 283 (2012) [Fiz. Nizk. Temp. 38, 360 (2012)]. https://doi.org/10.1063/1.3701717
S. N. Shevchenko and A. N. Omelyanchouk, “Resonant effects in the strongly driven phase-biased Сooper-pair box,” Low Temp. Phys. 32, 973 (2006) [Fiz. Nizk. Temp. 32, 1282 (2006)]. https://doi.org/10.1063/1.2364493
V. I. Shnyrkov, A. A. Soroka, A. M. Korolev, and O. G. Turutanov, “Superposition of states in flux qubits with a josephson junction of the ScS type,” Low Temp. Phys. 38, 301 (2012) [Fiz. Nizk. Temp. 38, 382 (2012)]. https://doi.org/10.1063/1.3699781
L. Viola and S. Lloyd, “Dynamical suppression of decoherence in two-state quantum systems,” Phys. Rev. A 58, 2733 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.58.2733
G. S. Uhrig, “Keeping a quantum bit alive by optimized π-pulse sequences,” Phys. Rev. Lett. 98, 100504 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.100504
B. Misra and E. C. G. Sudarshan, “The zeno’s paradox in quantum theory,” J. Math. Phys. 18, 756 (1977). https://doi.org/10.1063/1.523304
A. G. Kofman and G. Kurizki, “Acceleration of quantum decay processes by frequent observations,” Nature 405, 405 (2000). https://doi.org/10.1038/35014537
P. Facchi, G. Marmo, S. Pascazio, F. Sciarrino, and P. Vinetti, “Quantum zeno dynamics and quantum zeno subspaces,” J. Phys. Conf. Ser. 196, 012008 (2007).https://doi.org/10.1088/1742-6596/196/1/012008
S. Maniscalco, F. Francica, R. L. Zaffino, N. Lo Gullo, and F. Plastina, “Protecting entanglement via the quantum zeno effect,” Phys. Rev. Lett. 100, 090503 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.090503
O. M. Konovalenko and Z. A. Maizelis, “Suppression of decoherence by multiple joint measurements in entangled system,” Low Temp. Phys. 51, 1366 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 1508 (2025)]. https://doi.org/10.1063/10.0039644
O. G. Turutanov, V. Yu. Lyakhno, M. E. Pivovar, and V. I. Shnyrkov, “controlled stochastic amplification of a weak signal in a superconducting quantum interferometer,” Low Temp. Phys. 45, 60 (2019) [Fiz. Nizk. Temp. 45, 70 (2019)]. https://doi.org/10.1063/1.5082311
Y. Yerin and A. Omelyanchouk, “Proximity effects and josephson effect in the microstructures on the base of multiband superconductors (review article),” Low Temp. Phys. 43, 1013 (2017) [Fiz. Nizk. Temp. 43, 1263 (2017)]. https://doi.org/10.1063/1.5004444
G. Ithier, E. Collin, P. Joyez, P. J. Meeson, D. Vion, D. Esteve, F. Chiarello, A. Shnirman, Y. Makhlin, J. Schriefl ., “Decoherence in a superconducting quantum bit circuit,” Phys. Rev. B 72, 134519 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.134519
E. Paladino, Y. M. Galperin, G. Falci, and B. L. Altshuler, “1/f noise: Implications for solid-state quantum information,” Rev. Mod. Phys. 86, 361 (2014). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.86.361
O. G. Turutanov, V. U. Lyakhno, and V. I. Shnyrkov, “Experimental observation of induced stochastic transitions in a multiwall potential of an rf-SQUID loop,” Low Temp. Phys. 40, 1026 (2014) [Fiz. Nizk. Temp. 40, 1312 (2014)]. https://doi.org/10.1063/1.4901990
V. I. Shnyrkov, A. M. Korolev, O. G. Turutanov, and V. M. Shulga, “V. Yu. lyakhno, and V. V. serebrovsky, isolation of a josephson qubit from the electromagnetic environment,” Low Temp. Phys. 41, 867 (2015) [Fiz. Nizk. Temp. 41, 1109 (2015)]. https://doi.org/10.1063/1.4935839
Y. M. Galperin, B. L. Altshuler, and D. V. Shantsev, “Non-Gaussian low-frequency noise as a source of qubit decoherence,” Phys. Rev. Lett. 96, 097009 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.097009
J. Bergli, Y. M. Galperin, and B. L. Altshuler, “Decoherence of a qubit by non-Gaussian noise at an arbitrary working point,” Phys. Rev. B 74, 024509 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.024509
L. M. Norris, G. A. Paz-Silva, and L. Viola, “Qubit noise spectroscopy for non-Gaussian dephasing environments,” Phys. Rev. Lett. 116, 150503 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.150503
S. Sung, F. Beaudoin, L. M. Norris ., “Non-Gaussian noise spectroscopy with a superconducting qubit sensor,” Nat. Commun. 10, 3715 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-11699-4
M. Spiecker, A. Pavlov, S. N. Filippov, and A. Pechen, “Solomon equations for qubit and two-level systems: Insights into non-poissonian and non-markovian fluctuations,” Phys. Rev. A 109, 052218 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.109.052218
J. Bergli and Y. M. Galperin, “Decoherence in a qubit coupled to a spin bath,” Phys. Rev. B 80, 044501 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.80.044501
D. A. Rower, L. Ateshian, J. Gomez, M. G. Vavilov, S. Oh, K. A. Matveev, L. I. Glazman, W. D. Oliver, and D. P. Pappas, “Emergence of 1/f flux noise in superconducting qubits with weak magnetic substrate coupling,” Phys. Rev. Lett. 130, 220602 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.220602
A. Connolly, M. Giustina, T. Hazard, J. Pietenpol, H. E. Tureci, A. Blais, and I. Siddiqi, “Evidence of nonequilibrium density and equilibrium energy distributions of quasiparticles in superconducting qubits,” Phys. Rev. Lett. 132, 217001 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.217001
M. McEwen, K. C. Miao, A. P. Place, A. Carignan-Dugas, K. Plekhanov, A. Heinz, N. Crittenden, C. J. K. Batty, J. M. Martinis, C. Neill ., “Observing high-energy impact events through gap engineering in superconducting qubits,” Phys. Rev. Lett. 133, 240601 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.240601
J. Krause, G. Marchegiani, L. Gruenhaupt, U. Vool, N. E. Frattini, I. Siddiqi, P. Campagne-Ibarcq, M. Mirrahimi, and M. H. Devoret, “Quasiparticle effects in magnetic-field-resilient three-dimensional transmons,” Phys. Rev. Appl. 22, 044063 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.22.044063
W. K. Wootters, “Entanglement of formation of an arbitrary state of two qubits,” Phys. Rev. Lett. 80, 2245 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.2245
G. Lindblad, “On the generators of quantum dynamical semigroups,” Commun. Math. Phys. 48, 119 (1976). https://doi.org/10.1007/BF01608499
V. Gorini, A. Kossakowski, and E. Sudarshan, “Completely positive dynamical semigroups of n-level systems,” J. Math. Phys. 17, 821 (1976). https://doi.org/10.1063/1.522979
G. E. Uhlenbeck and L. S. Ornstein, “On the theory of the Brownian motion,” Phys. Rev. 36, 823 (1930). https://doi.org/10.1103/PhysRev.36.823
R. Kubo, “Stochastic liouville equations,” J. Math. Phys. 4, 174 (1963). https://doi.org/10.1063/1.1703941
H. Risken and T. Frank, The Fokker–Planck Equation: Methods of Solution and Applications (Springer, 1996).
N. Van Kampen, Stochastic Processes in Physics and Chemistry (Elsevier, 2011).
C. Gardiner, Stochastic Methods: A Handbook for the Natural and Social Sciences (Springer, 2010).
