TU Darmstadt / ULB / TUprints

Advanced dynamical decoupling strategies for simulating Hamiltonian interactions

Frydrych, Holger :
Advanced dynamical decoupling strategies for simulating Hamiltonian interactions.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

[img]
Preview
Text
dissertation_frydrych_2016.pdf - Accepted Version
Available under Only rights of use according to UrhG.

Download (1MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Advanced dynamical decoupling strategies for simulating Hamiltonian interactions
Language: English
Abstract:

In the field of quantum information, a major challenge is to protect and shield quantum systems from environmental influences, which cause dissipation and decoherence. One approach to address this problem is called dynamical decoupling, where we act on a quantum system with a series of fast and strong local control operations. If done correctly, the system's state gets rotated in discrete steps in its state space in such a way that the effects of the environment cancel up to a certain order. In the first part of this thesis, we will introduce the basics of dynamical decoupling and present a new approach for constructing dynamical decoupling schemes based on sequences of Weyl operators on networks of qudits. This approach goes beyond merely protecting a quantum system, as it is also capable of altering existing Hamiltonian interactions in ways suitable for quantum simulation purposes. We will also investigate how imperfect controls influence the effectiveness of dynamical decoupling and focus particularly on stochastic noise.

In the second part of the thesis, we study concrete scenarios for the application of dynamical decoupling. First, we consider the task of quantum state transfer on a linear chain of qubits and use decoupling to protect the transfer from detrimental influences caused by a bend in the chain. We also look at how to design the specific interaction strengths required on the chain to make the state transfer work and extend this result to chains of qudits. Another chapter deals with decoupling the atomic centre-of-mass motion of a trapped atom or ion in a cavity interacting with a radiation field. Finally, we use decoupling to execute sequences of one- and two-qubit quantum gates on a chain of coupled qubits. Particular care is taken to ensure high fidelity operations in the presence of imperfect decoupling pulses.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Eine der größten Herausforderungen in der Quanteninformationstheorie ist der Schutz von Quantensystemen vor Umgebungseinflüssen, die Dekohärenz und Dissipation verursachen. Eine mögliche Lösung ist Dynamische Entkopplung. Hierbei wird das zu schützende Quantensystem einer Serie von schnellen, lokalen Kontrolloperationen ausgesetzt, die bei korrekter Anwendung den Zustand des Systems im Zustandsraum so rotieren, dass sich die Umgebungseinflüsse im Mittel bis zu einer bestimmten Ordnung aufheben. Im ersten Teil dieser Dissertation werden die Grundlagen dynamischer Entkopplung erklärt und anschließend ein neues Verfahren für die Konstruktion von Entkopplungssequenzen auf Qudit-Netzwerken vorgestellt, deren Kontrolloperationen aus Tensorprodukten von Weyl-Operatoren bestehen. Dieses Verfahren ermöglicht auch Entkopplungssequenzen, die nicht dem reinen Schutz eines Quantensystems dienen, sondern bestehende Wechselwirkungen für den Zweck der Quantensimulation manipulieren können. Abschließend wird auf den Einfluss von imperfekten Kontrollen auf die Effizienz von Entkopplungsverfahren eingegangen und dabei insbesondere der Effekt von stochastischem Rauschen analysiert. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit konkreten Anwendungsszenarien für dynamische Entkopplung. Zunächst wird die Zustandsübertragung auf einer linearen Qubit-Kette betrachtet, wobei Entkopplung verwendet wird, um den Transfer vor den Einflüssen eines Knicks in der Kette zu schützen. Anschließend wird gezeigt, wie die für die Zustandsübertragung notwendigen Wechselwirkungsstärken mittels Entkopplung konstruiert werden können. Dieses Resultat wird dann auch auf Ketten von Qudits verallgemeinert. Anschließend wird die Wechselwirkung eines gefangenen Atoms oder Ions in einer optischen Kavität mit einem Strahlungsfeld betrachtet und aufgezeigt, wie die Bewegung des Atoms in der Falle entkoppelt werden kann. Abschließend wird dynamische Entkopplung dazu verwendet, Sequenzen von Quantengattern auf einer stark wechselwirkenden Qubit-Kette zu implementieren. Hierbei wird insbesondere darauf eingegangen, wie trotz imperfekter Entkopplungspulse die Gatter mit hoher Qualität ausgeführt werden können.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Dynamical decoupling, quantum information, quantum computation
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 15 Jan 2016 12:58
Last Modified: 15 Jan 2016 12:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52339
Referees: Alber, Prof. Dr. Gernot and Walser, Prof. Dr. Reinhold
Refereed: 14 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5233
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year