Repeated Bell-basis projections as an entanglement-preserving protocol in noisy two-qubit registers

Автор(и)

  • A. O. Guzenko O. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61085, Ukraine https://orcid.org/0009-0006-8866-6465
  • O. M. Konovalenko O. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61085, Ukraine https://orcid.org/0009-0007-1100-732X
  • Z. A. Maizelis Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61085, Ukraine
    V. N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv 61022, Ukraine     https://orcid.org/0000-0001-6217-7117

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0044120

Ключові слова:

entanglement protection, Bell-state projection, quantum Zeno dynamics, two-qubit register, frequency noise, Ornstein–Uhlenbeck noise, telegraph noise, Poissonian noise

Анотація

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

1. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition (Cambridge University Press, 2010).

2. H.-P. Breuer and F. Petruccione, The Theory of Open Quantum Systems (Oxford University, New York, 2006).

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. A. G. Kofman and G. Kurizki, “Acceleration of quantum decay processes by frequent observations,” Nature 405, 405 (2000). https://doi.org/10.1038/35014537

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. G. Lindblad, “On the generators of quantum dynamical semigroups,” Commun. Math. Phys. 48, 119 (1976). https://doi.org/10.1007/BF01608499

33. 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

34. 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

35. R. Kubo, “Stochastic liouville equations,” J. Math. Phys. 4, 174 (1963). https://doi.org/10.1063/1.1703941

36. H. Risken and T. Frank, The Fokker–Planck Equation: Methods of Solution and Applications (Springer, 1996).

37. N. Van Kampen, Stochastic Processes in Physics and Chemistry (Elsevier, 2011).

38. C. Gardiner, Stochastic Methods: A Handbook for the Natural and Social Sciences (Springer, 2010).

Downloads

Опубліковано

2026-04-24

Як цитувати

(1)
A. O. Guzenko, O. M. Konovalenko, and Z. A. Maizelis, Repeated Bell-basis projections as an entanglement-preserving protocol in noisy two-qubit registers, Low Temp. Phys. 52, 695–702, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 774–782, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0044120.

Номер

Том 52 № 6 (2026)

Розділ

Статті

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.