AF: Collaborative Research: Robustness of Topological Quantum Memories

AF:协作研究:拓扑量子存储器的鲁棒性

基本信息

项目摘要

Computers permeate all socio-economic activities of our times. The limitations of our present silicon-based computational power are no longer residing in the far future. The topic of this award is one that is relevant to finding new directions for future computation, while at the same time enlarging our understanding of physical systems suitable for quantum computing. The research will address fundamental science questions, such as whether topological states of matter can store, at non-zero temperatures, quantum (qubit) or classical (bit) elements of information. The research activities will be accompanied by educational efforts at three different levels: The PIs will provide solid education and training to graduate students in the field of quantum information; they will develop undergraduate courses at the interface between physics and computer science; and they will use their expertise to help develop the "Future of Information" module for techCAMP, a program directed towards middle-school and high-school teachers.Encoding information in topological states of certain many-particle systems has been proposed as robust way to store quantum information. In these systems, the ground state is not unique and its multiplicity is not altered by local perturbations. As a result, when used to encode information, topological qubits are less susceptible to errors than standard qubits. Although protected from static perturbations, it is still uncertain how effective topological quantum memories are in the presence of dynamical perturbations. The proposed research addresses two important aspects of this issue. The first concerns the study of loss of coherence in realistic setups, where both equilibrium and non-equilibrium noise must be considered. The second is whether topological quantum memories in the presence of thermal fluctuations are attainable in physically realizable systems. Building on these investigations, the goal is to find ways to improve fault tolerance in topological quantum information processing.
计算机渗透到我们这个时代的所有社会经济活动中。我们目前基于硅的计算能力的局限性在遥远的未来将不再存在。该奖项的主题与寻找未来计算的新方向相关,同时扩大我们对适合量子计算的物理系统的理解。该研究将解决基础科学问题,例如物质的拓扑状态是否可以在非零温度下存储量子(量子位)或经典(位)信息元素。研究活动将伴随着三个不同层面的教育工作:PI将为量子信息领域的研究生提供扎实的教育和培训;他们将开发物理学和计算机科学交叉领域的本科课程;他们将利用自己的专业知识帮助为 techCAMP 开发“信息的未来”模块,这是一个针对初中和高中教师的项目。有人提出,以某些多粒子系统的拓扑状态对信息进行编码是一种可靠的方法存储量子信息。在这些系统中,基态不是唯一的,其多重性不会因局部扰动而改变。因此,当用于编码信息时,拓扑量子位比标准量子位更不容易出错。尽管受到静态扰动的保护,但仍然不确定拓扑量子存储器在存在动态扰动的情况下的有效性。拟议的研究解决了这个问题的两个重要方面。第一个涉及现实设置中相干性损失的研究,其中必须考虑平衡和非平衡噪声。第二个问题是在物理上可实现的系统中是否可以实现存在热波动的拓扑量子存储器。在这些研究的基础上,目标是找到提高拓扑量子信息处理容错能力的方法。

项目成果

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