Transmon 阵列中相互作用光子的耗散与退相干

Transmon 阵列是量子信息科学中最有前景的平台之一。尽管常被视为简单的量子比特，transmon 本质上是量子力学多能级系统。由于可用高保真度实验操控，量子比特子空间之外的高激发态为硬件高效的许多体量子模拟、量子纠错和量子信息协议提供了重要资源。然而，由与各种不可控环境耦合产生的耗散与退相干现象，对其利用构成了实际的限制因素。为详细量化这一点，我们在此给出单 transmon 耗散与退相干对 transmon 阵列多体动力学的主要影响。我们结合微扰论与量子轨迹方法的解析手段以及数值模拟，并刻意考虑包含高激发态的完整 Hilbert 空间。三种主要非幺正过程为多体退相干、多体耗散以及不同非谐流形间的加热/冷却跃迁。其中，多体退相干——正比于多体 Fock 态间距离的平方——给出了观测有效幺正动力学的最严格限制。考虑实验相关参数（也包括不可避免的位点间无序），我们的结果表明最先进的 transmon 阵列应已准备好利用高激发态展示相干多体动力学的任务。然而，transmon 在三元及以上量子计算中的更广泛应用仍需改善其相干特性。