Caracterización y control de efectos de decoherencia de sistemas cuánticos fuera de equilibrio

GONZALO AGUSTIN ALVAREZ

Mar del Plata

Seminario; Cuantos 4; 2022

Caracterización y control de efectos de decoherencia de sistemas cuánticos fuera de equilibrioGonzalo A. Álvarez1 Centro Atómico Bariloche, CONICET, CNEA, S. C. de Bariloche, 8400, Argentina 2 Instituto de Nanociencia y Nanotecnología, CNEA, CONICET, S. C. de Bariloche, 8400, Argentina3 Instituto Balseiro, CNEA, Universidad Nacional de Cuyo, S. C. de Bariloche, 8400, ArgentinaEl procesamiento confiable de la información cuántica es un hito clave para el desarrollo de tecnologías cuánticas. Para ello es necesario caracterizar sistemas cuánticos que se encuentran fuera de equilibrio [1-3]. Ésta caracterización es además necesaria para diseñar el control óptimo de dispositivos cuánticos para mitigar la pérdida de su información cuántica. Ésta es una tarea muy desafiante ya que la naturaleza no estacionaria de estos sistemas genera correlaciones de alto grado y muy complejas. En esta charla mostraré una serie de métodos desarrollados para caracterizar la decoherencia de sistemas cuánticos fuera de equilibrio [3-6]. Por un lado utilizando simulaciones cuánticas implementadas con Resonancia Magnética Nuclear determinamos “out-of-time order correlations”(OTOCs) [1,2] que cuantifican cómo se propagan excitaciones locales en un sistema de muchos cuerpos, y cómo ésta dinámica si es controlada idealmente se aparta de una dinámica controlada con imperfecciones [3-5]. Se observa que la tasa de decoherencia de la fidelidad de esta dinámica se incrementa con el número efectivo e instantáneo K de qubits activos en la dinámica, siguiendo una ley de potencia K^α. Se observan cambios en ésta ley de escala de la decoherencia que definen la fragilidad del control cuántico, manifiesta en el exponente α. Estos resultados indican que el control confiable de sistemas cuánticos grandes podría ser factible en condiciones realistas, si las perturbaciones pueden mantenerse por debajo de este umbral crítico. Por otro lado mostraré cómo la dinámica fuera de equilibrio puede ser monitoreada por un sensor cuántico [6]. Mostraré cómo las propiedades espectrales y de no Markovianeidad de estas dinámicas se manifiestan en el sensor. Éstos resultados proveen una tecnología cuántica para sondear las propiedades espectrales y mitigar los efectos de decoherencia de entornos fuera de equilibrio, no-estacionarios. [1] R.J. Lewis-Swan, A. Safavi-Naini, A.M. Kaufman, A.M. Rey. Dynamics of quantum information. Nat. Rev. Phys. 1, 627 (2019).[2] B. Swingle. Unscrambling the physics of out-of-time-order correlators. Nat. Phys. 14, 988 (2018).[3] G.A. Á́lvarez, D. Suter, R. Kaiser. Localization-delocalization transition in the dynamics of dipolar-coupled nuclear spins. Science 349, 846 (2015).[4] F.D. Dominguez, M.C. Rodriguez, R. Kaiser, D. Suter, G.A. Alvarez. Decoherence scaling transition in the dynamics of quantum information scrambling. Phys. Rev. A 104, 012402 (2021).[5] F.D. Domínguez, G.A. Álvarez, Dynamics of quantum information scrambling under decoherence effects measured via active spin clusters. Phys. Rev. A 104, 062406 (2021). [6] M. Kuffer, A. Zwick, G.A. Álvarez. Path integral framework for characterizing and controlling decoherence induced by non-stationary environments on a quantum probe. PRX Quantum (2022). En prensa.