Protecting quantum resources from noise

Technologie kwantowe stanowią różnorodną i dynamicznie rozwijającą się dziedz- inę, będąc kluczowym elementem współczesnej rewolucji naukowej. Wykorzys- tując szczególne właściwości mechaniki kwantowej, technologie te mają potenc- jał zrewolucjonizowania wielu dziedzin poza fizyką, takich jak kryptografia czy informatyka. Spośród tych szczególnych właściwości zdolność materii kwantowej do zna- jdowania się w superpozycji stanów jest z pewnością najbardziej odległa od klasycznej intuicji fizycznej. Komputer, którego bity logiczne są zbudowane z cząstek kwantowych, a więc komputer kwantowy, może wykorzystać tę właści- wość do przyspieszenia działania pewnych algorytmów w znacznym stopniu. Inną właściwością fundamentalnie związaną z kwantowym światem jest splą- tanie – zjawisko, w którym kwantowe stany dwóch lub więcej cząstek stają się skorelowane w taki sposób, że stan jednej cząstki zależy od stanu innej, nawet gdy są one fizycznie oddzielone. Ta cecha również stanowi kluczowy el- ement wielu algorytmów kwantowych. Ze wskazanych powodów właściwości te są uważane za „zasoby” konieczne do przeprowadzania obliczeń lub innych zadań technologicznych. Niestety te bardzo wartościowe dla zastosowań technologicznych właściwości są bardzo delikatne, jeśli systemy je wykazujące nie są izolowane – w rzeczywis- tości fizycznej zaś nie istnieje coś takiego jak izolowany system. Gdy kom- puter kwantowy jest wystawiony na oddziaływanie z otoczeniem, na przykład interakcje z zewnętrznymi cząstkami lub promieniowaniem, może to zakłócić delikatną superpozycję stanów, zamieniając kwantowy bit w klasyczny, zdolny jedynie przyjmować wartości 0 lub 1 w sposób deterministyczny. To zjawisko nazywane jest dekoherencją i stanowi główną przyczynę błędów i ograniczenia wydajności algorytmów kwantowych. Splątane cząstki również muszą pozostać izolowane od zewnętrznych oddziaływań, aby zachować swoje szczególne splą- tane stany. W przeciwieństwie do komputerów klasycznych, które są stosunkowo odporne na oddziaływania zewnętrzne, komputery kwantowe są bardzo wrażliwe na swoje otoczenie ze względu na trudne do utrzymania stany kwantowe, na których są opatrte. Ta wrażliwość ma istotne implikacje dla projektowania i działania systemów obliczeń kwantowych. Aby przedłużyć żywotność stanów kwantowych i umożliwić dłuższe czasy obliczeń, komputery kwantowe muszą być chronione przed czynnikami wywołującymi dekoherencję, takimi jak fluktuacje temperatury, promieniowanie elektro- magnetyczne i drgania, lub muszą działać w wysoce kontrolowanym i izolowanym środowisku. Pierwsze próby ochrony urządzeń kwantowych przed szumem wywołanym przez otoczenie stanowią algorytmy korekcji błędów kwantowych, w których za pomocą dodatkowych kubitów można odzyskać część informacji utraconej z powodu zakłóceń. W tej pracy przedstawimy inne protokoły i metody, umożliwiające zachowanie lub zwiększenie zasobów kwantowych przechowywanych w systemach kwantowych w obecności zakłóceń.

Quantum technologies, a diverse and rapidly expanding field, are at the forefront of a modern scientific revolution. Harnessing the intrinsic properties of quantum mechanics, these technologies have the potential to revolutionize many fields apart from physics, such as cryptography and computer science. Among these new features, the capability of quantum matter to be in a superposition of states is certainly the furthest from a classical physical intuition. Turns out that a computer whose logical bits are made from quantum particles, i.e. a quantum computer, can exploit this property to hasten certain algorithms by a significant amount. Another property fundamentally connected with the quantum world is entanglement, a phenomenon where the quantum states of two or more particles become correlated in such a way that the state of one particle is dependent on the state of another, even when they are physically separated. This feature too is a key part of many quantum algorithms. Those are the reasons why these properties are regarded as "resources" to perform computations or other technological tasks. Unfortunately, these very valuable features for technological applications are very fragile if the systems exhibiting them are not isolated, and there is no such thing in the physical reality as an isolated system. When a quantum computer is exposed to its environment, for example, interactions with external particles or radiation can disturb the delicate superposition of states, turning a quantum bit into a classical one, only able to assume values 0 or 1 in a deterministic fashion. This phenomenon is called decoherence and it constitutes the main cause of errors and performance degradation of quantum algorithms. The entangled particles must remain isolated from external influences too, to preserve their unique entangled states. Unlike classical computers, which are relatively robust and resilient to external influences, quantum computers are then highly sensitive to their surroundings due to the delicate quantum states they rely on. This sensitivity has significant implications for the design and operation of quantum computing systems. In order to extend the lifespan of quantum states and enable longer computation times, quantum computers must be then shielded from decoherence-inducing factors, such as temperature fluctuations, electromagnetic radiation, and vibrations, or must operate in a highly controlled and isolated environment. The first attempts to protect a quantum machine from the noise induced by the environment are quantum error correction codes, where, using extra qubits, it is possible to recover part of the information lost due to the noise. In this thesis, we will provide other protocols or scenarios in which it is possible to preserve or enhance quantum resources stored in noisy quantum systems.