Many-body localization for decoherence protected quantum memory

Varvelis, Evangelos; Hassler, Fabian; DiVincenzo, David

doi:HT030345997

Many-body localization for decoherence protected quantum memory

Varvelis, Evangelos^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Evangelos Varvelis, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
DiVincenzo, David (Thesis advisor) ; Hassler, Fabian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-08-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08380
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/967997/files/967997.pdf

Einrichtungen

Projekte

EXC 2004: Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) (390534769) (390534769)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der Quanteninformation durch die Nutzung supraleitender Qubits bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Dennoch bestehen trotz dieser Fortschritte weiterhin erhebliche Hürden bei der Skalierung dieser Systeme. Eine entscheidende Herausforderung, die in dieser Arbeit diskutiert wird, ist das Phänomen der Dekohärenz, bei dem sich ein Quantensystem ähnlich wie ein klassisches System im thermischen Gleichgewicht verhält. Allerdings können Systeme eine Thermalisierung vermeiden, wenn sie sich in der lokalisierten Vielkörperphase befinden. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, das Potenzial von Vielkörperlokalisierung zum Schutz von Quantenspeichern vor Dekohärenz zu untersuchen. Wir verfolgen einen dualen Ansatz: Zuerst weisen wir die Existenz eines thermischen Phasenübergangs zur MBL-Phase in ungeordneten Transmon-Arrays nach. Um dies zu erreichen, verwenden wir bewährte Diagnoseverfahren wie die Verteilung der Niveauabstancle und das inverse Participation Ratio (IPR). Darüber hinaus stellen wir ein neues Diagnosetool namens Walsh-Hadamard-Koeffizienten vor, dass die Ergebnisse von IPR auf basisunabhängige Weise untermauert. Wir wenden diese Diagnostik sowohl auf 1D- als auch auf 2D-Transmon-Arrays mit Gaußschen Störungen sowie auf Ketten mit designten Frequenzmustern unter Verwendung der LASIQ-Technik an. Darüber hinaus zeigen wir, dass auch störungsfreie Systeme MBL aufweisen können, indem sie das Fehlen von Störungen durch die Nutzung quasiperiodischer Frequenzmuster kompensieren. Überraschenderweise stellen wir fest, dass diese Systeme nicht nur eine Lokalisierung erreichen, sondern auch die in vergleichbaren Systemen mit Gaußschen Störungen beobachtete Lokalisierung übertreffen. Abschließend entwickeln wir ein Störungstheorieschema, das die Bestimmung der Walsh-Hadamard-Koeffizienten für große Transmongitter ermöglicht, die mit experimentellen Aufbauten vergleichbar sind.

In recent years, the field of quantum information has witnessed remarkable progress through the utilization of superconducting qubits. Nonetheless, despite these advancements, significant hurdles persist when it comes to scaling up these systems. One critical challenge that this thesis aims to tackle is the phenomenon of decoherence, whereby a quantum system behaves akin to a classical system in thermal equilibrium. However systems can avoid thermalization if they are in the many-body localized phase. The main objective of this thesis is to investigate the potential of MBL in protecting quantum memories from decoherence. We pursue a two-fold approach: firstly, we establish the existence of a thermal to MBL phase transition in disordered transmon arrays. To achieve this, we employ well-established diagnostics such as level spacing distribution and inverse participation ratio (IPR). Additionally, we introduce a new diagnostic tool called the Walsh-Hadamard coefficients, which reinforce the findings of IPR in a basis-independent manner. We apply these diagnostics to both 1D and 2D transmon arrays with Gaussian disorder, as well as chains with designed frequency patterns using the LASIQ technique. Furthermore, we demonstrate that disorder-free systems can also exhibit MBL by compensating for the absence of disorder through the utilization of quasi-periodic frequency patterns. Surprisingly, we find that these systems not only achieve localization, but also surpass the localization observed in comparable systems with Gaussian disorder. Finally, we develop a perturbation theory scheme that enables the determination of the Walsh-Hadamard coefficients for large transmon lattices, which are comparable to experimental devices.

OpenAccess:
PDF
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