Dekoherencja kwantowa

• Autorzy: Romaniuk Ryszard

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2021.10.3

Warianty tytułu

EN

Quantum decoherence

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł jest kolejną częścią dydaktycznego cyklu swobodnych popularnych esejów na temat informacyjnych technologii kwantowych. Cykl tematyczny ITK został rozpoczęty w styczniowym zeszycie Elektroniki 1/2021 i pokrywał się z prowadzonymi przez autora wykładami dla doktorantów na ten temat na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Dekoherencja kwantowa jest nietrywialnym i złożonym procesem przejścia przez niedokładnie znaną granicę między światami kwantowym i klasycznym. Niedokładność wiedzy o tej granicy dotyczy jej położenia, rozmycia w kwantowej i klasycznej przestrzeniach fazowych, wymiarów obszaru przejściowego, właściwości fizycznych, zakresu obowiązywania praw obu światów w pobliżu tej granicy, różnorodności kanałów przechodzenia granicy, zadziwiającej selektywności i wybiórczości (nazywanej superselekcją/nadwyborem) dekoherencyjnych sprzężeń różnych stanów obiektu kwantowego (tutaj kubitu) z przestrzenią termodynamiczną, itp. Ta granica musi pozostać rozmyta, bo prawa prawdopodobieństwa i znajomość stanów są różne po obu jej stronach. Kubit przechodząc proces dekoherencji podlega wymienionym zjawiskom w obszarze granicznym zależnie od właściwości kanałów dekoherencji które go dotyczą. Ogólnie kanały dekoherencji są związane z nieuchronnym sprzężeniem kubitu ze światem makroskopowym, nazywanym tutaj klasycznym lub przestrzenią termodynamiczną. Kanałami dekoherencji są zakłócenia i szumy kwantowe. W komputingu kwantowym stan kubitu mierzymy po wykonaniu cyklu obliczeń kwantowych. Sprzęt pomiarowy i proces pomiaru są kanałami dekoherencji. Pomiar jest procesem gwałtownym i nieodwracalnym transformującym kwantowy kubit do świata klasycznego. W czasie obliczeń może dochodzić do częściowej dekoherencji stanu kubitu. Może to być proces odwracalny metodami kwantowymi.

EN

This article is the next part of a didactic series of popular essays on quantum information technology. The QIT thematic cycle was started in the January issue of Electronics monthly Journal and coincided with the author’s lectures on this topic for PhD students at the Faculty of Electronics and Information Technology of the Warsaw University of Technology. Quantum decoherence is a non-trivial and complex process of passing through an inaccurately known boundary between the quantum and classical worlds. The inaccuracy of knowledge about this border concerns its location, blurring in quantum and classical phase spaces, dimensions of the transition region, physical properties, the scope of the laws of both worlds near this border, the diversity of the border crossing channels, astonishing selectivity of decoherence couplings (superselection) between different quantum states of quantum object (qubit) with thermodynamic space, etc. This border must remain blurred and fuzzy because the laws of probability and knowledge of the states are different on both sides. The qubit undergoing the process of decoherence is subject to the above-mentioned phenomena in the border area depending on the properties of the decoherence channels that concern it. Generally, the decoherence channels are associated with the inevitable coupling of the qubit with the macroscopic world, hereinafter referred to as the classical, macroscopic, or thermodynamic space. The channels of decoherence are interference and quantum noise. In quantum computing, the state of a qubit is measured after the cycle of quantum computations. The measurement equipment and the measurement process are channels of decoherence. Measurement is a violent and irreversible process transferring the qubit to the classical world. During the calculations, there may be a partial decoherence of the qubit state. It could be a process that can be reversed by quantum methods.

Słowa kluczowe

PL

koherencja kwantowa; dekoherencja kwantowa; superpozycja kwantowa; kwantowa przestrzeń fazowa; splątanie kwantowe; szum kwantowy; świat kwantowy; świat klasyczny; granica między światem kwantowym i klasycznym; kubit; komputing kwantowy

EN

quantum coherence; quantum decoherence; quantum superposition; quantum phase space; quantum entanglement; quantum noise; quantum-classical boundary; qubit; quantum computing

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 62, nr 10
• Strony: 18--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Romaniuk Ryszard

• Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych

Bibliografia

• [1] H. Dieter Zeh, 1970, On the Interpretation of Measurement in Quantum Theory, Foundations of Physics, vol. 1, pp. 69–76.
• [2] E. Joos, H.D. Zeh, 1985, The emergence of classical properties through interaction with the environment. Z. Phys. B 59, 223.
• [3] W.H. Zurek, 2002, Decoherence and the transition from quantum to classical, LAS 27.
• [4] W.H. Zurek, 2003, Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical, arXiv:0105127
• [5] C. Easttom, (2020), Quantum computing fundamentals, Pearson.
• [6] D.M. Bacon, 2003, Decoherence, control, and symmetry in quantum computers, arXiv:0305025
• [7] M. Schlosshauer, 2005, Decoherence, the measurement problem, and interpretations of quantum mechanics, arXiv:0312059
• [8] M. Schlossauer 2019, Quantum decoherence, arXiv:1911.06282
• [9] B. Bacciagallupi, 2020 The role of decoherence in quantum mechanics, Stanford Encyclopedia of Philosophy.
• [10] H.D. Zeh, 2006, Roots and Fruits of Decoherence. In: Quantum Decoherence, B. Duplantier, J.M. Raimond, V. Rivasseau, eds., (Birkhäuser), arXiv:0512078
• [11] D.A. Lidar, K.B. Whaley, 2003, Decoherence-free subspaces and subsystems, arXiv:0301032
• [12] S.W. Gardiner, P. Zoller, 2004, Quantum noise, Springer.
• [13] C.G. Timpson, 2008, Quantum Bayesianism, arXiv:0804.2047
• [14] M. Tegmark, 2000, Importance of quantum decoherence in brain processes. arXiv:9907009
• [15] A.S. Sanz, F. Borondo, 2008, A quantum trajectory description of decoherence, arXiv:0310096
• [16] C. Kiefer, 2007, Quantum Gravity. Oxford University Press.
• [17] L. Chirolli, G. Burkard, 2008, Decoherence in solid-state qubits, Advances in Physics, 57:3, 225-285.
• [18] C. Rigetti et al., 2012, Superconducting qubit in waveguide cavity with coherence time approaching 0.1 ms, arXiv:1202.5533
• [19] J.J. Burnett et al., 2019, Decoherence benchmarking of superconducting qubits, Nature npjqi 5(54).
• [20] S.D. Bruzewicz, et al., Trapped-Ion Quantum Computing: Progress and Challenges, arXiv:1904.04178
• [21] M.H. Abobeih, et al., 2021, Fault-tolerant operation of a logical qubit in a diamond quantum processor, arXiv:2108.01646
• [22] M. Ruf, et al., 2021, Quantum networks based on color centers in diamond, arXiv:2105.04341
• [23] M. Joos, et al., 2021, Protecting qubit coherence by spectrally engineered driving of the spin environment, arXiv:2101.09654
• [24] G. Pleasance, B.M. Garraway, 2017, Application of quantum Darwinism to a structured environment, PRA 96, 062105
• [25] T.P. Le, A. Olaya-Castro, 2018, Strong Quantum Darwinism and Strong Independence is equivalent to Spectrum Broadcast Structure, arXiv:1803.08936