Швидкі неадіабатичні нерезонансні квантові логічні вентилі в дисипативному середовищі

Abstract

Мета роботи – аналіз переваг та недоліків, а також порівняння точності виконання квантових логічних вентилів на базі осциляцій Рабі та неадіабатичних переходів Ландау-Зінера-Штукельберга-Майорани (ЛЗШМ) у відкритих квантових системах. Об’єкт дослідження – динаміка відкритих дворівневих квантових систем. Предмет дослідження – вплив процесів енергетичної релаксації та дефазування на точність виконання однокубітного X-вентиля за допомогою осциляцій Рабі та ЛЗШМ переходів. Результати й наукова новизна – шляхом чисельного інтегрування рівнянь Блоха отримано просторові розподіли точності на сфері Блоха залежно від початкового стану кубіта для Х-вентиля та виявлено супутні патерни похибок. Кількісно доведено перевагу ЛЗШМ-переходів як більш стійких до дисипативних процесів порівняно з резонансними методами контролю. Висновки – резонансні методи керування (з використанням осциляцій Рабі) є критично вразливими до дефазування через велику тривалість виконання логічних вентилів. Тим часом неадіабатичні ЛЗШМ-переходи забезпечують високу швидкість обчислень, мінімізуючи час взаємодії кубіта з навколишнім середовищем.

Objective of the study – analysis of the advantages and disadvantages, as well as comparison of the fidelity of quantum logic gates based on Rabi oscillations and nonadiabatic Landau-Zener-Stückelberg-Majorana (LZSM) transitions in open quantum systems. Object of research – dynamics of open two-level quantum systems. Subject of research – the influence of energy relaxation and dephasing processes on the fidelity of a single-qubit X-gate executed using Rabi oscillations and LZSM transitions. Results and scientific novelty – by numerically integrating the Bloch equations, spatial distributions of fidelity on the Bloch sphere depending on the initial state of the qubit for the X-gate were obtained, and concurrent error patterns were identified. The advantage of LZSM transitions as being more robust to dissipative processes compared to resonant control methods has been quantitatively proven. Conclusions – resonant control methods (using Rabi oscillations) are critically vulnerable to dephasing due to the long execution time of the logic gates. Meanwhile, nonadiabatic LZSM transitions provide high computational speed, minimizing the interaction time of the qubit with the environment.