Entanglement dynamics between pairs of qubits in a noisy quantum information processor

Abstract

One of the issues remaining in quantum computing is the noise that systems experience through interactions with an environment. These interactions lead to decoherence processes destroying the quantumness of the qubits. It is particularly interesting how incoherent noise affects entanglement between qubits. For different initial conditions on a bipartite system, the decoherence process leads to the entanglement sudden death effect and causes entanglement sudden birth in the environment. Quantum channels allow us to explore these phenomena since they enable the mathematical modeling of incoherent errors and the creation of realistic noise models.

In this thesis, we studied entanglement dynamics caused by the system-environment interactions. We present the methods for modeling and applying different types of incoherent noise via the operator-sum representation and the master equation approach, in addition to showcasing the concept of concurrence as an entanglement measure. In particular, we have studied the decay of concurrence under various quantum channels on different simulators. The results included both decay of concurrence converging to zero in infinite time and finite time disentanglement, depending on the type of noise and initial state conditions considered. We determined the finite disentanglement and birth of entanglement times in the amplitude damping channel case. Furthermore, a combination of individual quantum channels was used to fit the concurrence function to data obtained from a fake backend with a faithful noise model to its real-life counterpart. We were able to recreate the noise of realistic quantum devices by inputting the extracted thermal relaxation time T1 and dephasing time T2 to the combined quantum channel. Overall, the obtained results illustrated the potency of these methods in the study of entanglement dynamics.

Yksi kvanttilaskentaa yhä koskevista ongelmista on kohina, jota systeemit kokevat ollessaan vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Nämä vuorovaikutukset johtavat dekoherenssiprosesseihin tuhoten kubittien kvanttiluonteen. Erityisen olennaista on, kuinka epäkoherentti kohina vaikuttaa kubittien lomittumiseen. Erilaisilla alkuehdoilla kaksiosaisessa systeemissä dekoherenssi johtaa lomittumisen äkilliseen katoamiseen, ja aiheuttaa lomittumisen äkillisen synnyn ympäristössä (engl. entanglement sudden death and birth). Kvanttikanavat (engl. quantum channels) mahdollistavat näiden ilmiöiden tutkimisen, sillä ne tarjoavat mahdollisuuden epäkoherenttien virheiden matemaattiseen mallintamiseen ja realististen kohinamallien (engl. noise model) luomiseen.

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin lomittumisdynamiikkaa, joka johtuu systeemin ja ympäristön vuorovaikutuksista. Epäkoherentin kohinan mallintamisen ja käyttämisen menetelmiä käytiin työssä läpi operaattori-summaesityksen (engl. operator-sum representation) ja master equation -menetelmän kautta, sekä esiteltiin suureen ’concurrence’ käyttöä lomittumisen mittana. Erityisesti tutkittiin concurrencen heikkenemistä erilaisten kvanttikanavien vaikutuksesta eri simulaattoreilla. Tulokset sisälsivät sekä concurrencen suppenemisen nollaan äärettömässä ajassa että äkillisen lomittumisen häviämisen riippuen kohinan tyypistä ja alkutilan ehdoista. Lomittumisen äkillisen katoamisen ja synnyn ajanhetket määritettiin amplitudin vaimennuskanavan tapauksessa (engl. amplitude damping channel). Lisäksi yksittäisiä kvanttikanavia yhdistettiin concurrence funktion sovittamiseksi dekoherenssidataan. Data oli saatu teennäisestä taustajärjestelmämallista (engl. backend), jonka kohinamalli oli uskollinen sen todelliseen vastineeseen verrattuna. Realististen kvanttilaitteiden kohinaa pystyttiin jäljittelemään käyttämällä sovituksesta määritettyjä dekoherenssiparametreja T1 ja T2 yhdistetyssä kvanttikanavassa. Saadut tulokset osoittivat näiden menetelmien tehokkuuden lomittumisdynamiikan tutkimuksessa.