Bosonic qubits and quantum reservoirs : taming the environment
Réservoirs quantiques et qubits bosoniques : dompter l'environnement
Résumé
When a quantum system interacts with its environment, these unmonitored interactions no longer allow modeling the evolution of this system as reversible: the reversibility is broken by the leakage of information from the system. From the modeling point of view, in the case of a weakly coupled Markovian environment, the Schrödinger equation gives way to a Gorini–Kossakowski–Sudarshan–Lindblad equation, where dissipative terms bear witness of the impact of the environment on the dynamics of the system. At first sight, dissipative processes are the source of quantum decoherence and limit the timescale over which a given system can be controlled. On the other hand, the availability of dissipative processes also opens new avenues, not the least of which being the stabilization of quantum systems. In practice, one usually cannot choose the dissipative processes at work nor their steady states; however, assuming sufficiently rich interactions can be engineered, existing dissipative processes can sometimes be hijacked to emulate inaccessible nonphysical dissipative processes. The environment then goes from spectator to ally. This strategy is known as quantum reservoir engineering and can be traced back to the seminal work of Alfred Kastler on optical pumping. Here, we study the applications of reservoir engineering for quantum information processing. We consider in particular the stabilization of two bosonic quantum error correction codes: the Gottesman–Kitaev–Preskill code and the cat code.
Lorsqu’un système quantique interagit avec son environnement, ces interactions incontrôlées ne permettent plus de modéliser sa dynamique par une évolution réversible : la réversibilité est brisée par la fuite d’information hors du système. Du point de vue de la modélisation, dans le cas d’un couplage faible et Markovien à l’environnement, l’équation de Schrödinger est remplacée par une équation de Gorini–Kossakowski–Sudarshan–Lindblad. Des termes dissipatifs y rendent compte de l’impact de l’environnement sur la dynamique du système. À première vue, ces phénomènes dissipatifs sont source de décohérence quantique et limitent l’échelle de temps sur laquelle un système donné peut être contrôlé. Néanmoins, la présence de phénomènes dissipatifs ouvre également de nouvelles possibilités, au premier rang desquelles celle de stabiliser le système. En pratique, il n’est possible de choisir ni les phénomènes dissipatifs à l’œuvre ni leurs états d’équilibre. Si l’on sait créer des interactions suffisamment riches entre systèmes, il est toutefois possible de détourner les phénomènes existants pour imiter un phénomène dissipatif non physique choisi. L’environnement n’est alors plus un spectateur mais un allié. Cette stratégie, connue sous le nom d’ingénierie de réservoir quantique, remonte aux travaux pionniers d’Alfred Kastler sur le pompage optique. Nous étudions ici les applications de l’ingénierie de réservoir au traitement de l’information quantique. Nous nous intéressons en particulier à la stabilisation de deux codes bosoniques de correction d’erreur quantiques : le code de Gottesman-Kitaev-Preskill et le code de chat.
Mots clés
Domaines
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