平均场林德布拉德主方程框架:固态量子比特集合中相互作用驱动的退相干机制研究

多量子比特系统是可扩展量子技术的关键,但其性能常受到量子比特间相互作用和环境噪声引起的退相干效应的限制。尽管单量子比特系统中的环境退相干以及多量子比特系统中的门保真度已得到广泛研究,但尚未形成一个能够将量子比特相互作用、浓度、空间分布以及环境占据态与弛豫时间和退相干时间联系起来的预测性框架。本研究开发了一个多量子比特平均场林德布拉德主方程(MQMF-LME)框架,用于描述存在相互作用的多量子比特环境中固态量子比特的布居数及相干性动力学。该框架将一个量子比特视为目标系统,而将周围的量子比特视为有效环境,并纳入了系统与环境的固有弛豫及双向激发转移过程。解析解给出了密度矩阵动力学、稳态布居数、弛豫时间\(T_1\)和退相干时间\(T_2\)的闭式表达式,而数值模拟则将框架扩展至浓度依赖动力学、\(1/f\)噪声感生退相位及材料特定的激发转移机制。对于以福斯特共振能量转移(FRET)介导激发交换的模型系统,较高的量子比特浓度会同时降低\(T_1\)和\(T_2\),而\(1/f\)噪声则在不改变\(T_1\)的情况下降低\(T_2\)。将框架应用于掺杂Er³⁺的CeO₂时,结果表明:长程FRET介导的激发转移重现了弛豫时间随掺杂浓度增加而实验性降低的趋势,而短程德克斯特型交换机制则无法实现这一效果,从而识别出FRET介导的激发转移是主导机制。MQMF-LME框架为将固态多量子比特系统中的微观相互作用和环境噪声源与可测量的退相干时间联系起来提供了一条模块化途径。
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提交arXiv: 2026-06-24 00:49

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