Quantum Information Biology: From Theory of Open Quantum Systems to Adaptive Dynamics

2015 ◽  
pp. 399-414
Author(s):  
Masanari Asano ◽  
Irina Basieva ◽  
Andrei Khrennikov ◽  
Masanori Ohya ◽  
Yoshiharu Tanaka ◽  
...  
Keyword(s):  
Quantum Information ◽  
Open Quantum Systems ◽  
Adaptive Dynamics ◽  
Quantum Systems ◽  
Open Quantum

scholarly journals Error Avoiding Quantum Codes

1997 ◽  
Vol 11 (25) ◽  
pp. 1085-1093 ◽  
Author(s):  
Paolo Zanardi ◽  
Mario Rasetti
Keyword(s):  
Quantum Information ◽  
Linear Subspace ◽  
Open Quantum Systems ◽  
Quantum Systems ◽  
Quantum Codes ◽  
Open Quantum ◽  
Dynamical Semigroup

The existence is proved of a class of open quantum systems that admits a linear subspace [Formula: see text] of the space of states such that the restriction of the dynamical semigroup to the states built over [Formula: see text] is unitary. Such subspace allows for error-avoiding (noiseless) encoding of quantum information.

scholarly journals Tensor networks and graphical calculus for open quantum systems

2015 ◽  
Vol 15 (9&10) ◽  
pp. 759-811
Author(s):  
Christopher J. Wood ◽  
Jacob D. Biamonte ◽  
David G. Cory
Keyword(s):  
Information Theory ◽  
Quantum Information ◽  
Open Quantum Systems ◽  
Quantum Information Theory ◽  
Quantum Systems ◽  
Bipartite State ◽  
Graphical Calculus ◽  
Open Quantum ◽  
Tensor Networks ◽  
Process Tomography

We describe a graphical calculus for completely positive maps and in doing so review the theory of open quantum systems and other fundamental primitives of quantum information theory using the language of tensor networks. In particular we demonstrate the construction of tensor networks to pictographically represent the Liouville-superoperator, Choi-matrix, process-matrix, Kraus, and system-environment representations for the evolution of quantum states, review how these representations interrelate, and illustrate how graphical manipulations of the tensor networks may be used to concisely transform between them. To further demonstrate the utility of the presented graphical calculus we include several examples where we provide arguably simpler graphical proofs of several useful quantities in quantum information theory including the composition and contraction of multipartite channels, a condition for whether an arbitrary bipartite state may be used for ancilla assisted process tomography, and the derivation of expressions for the average gate fidelity and entanglement fidelity of a channel in terms of each of the different representations of the channel.

scholarly journals Open quantum systems and applications to the quantum information theory

2019 ◽  
Author(s):  
Θεοδώρα Κολιώνη
Keyword(s):  
Information Theory ◽  
Relaxation Time ◽  
Quantum Information ◽  
Open Quantum Systems ◽  
Field Measurements ◽  
Quantum Information Theory ◽  
Quantum Systems ◽  
Entangled State ◽  
Quantum Field ◽  
Open Quantum

Η επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας επιδιώκει την κατανόηση, στο ευρύτερο πλαίσιο της Κβαντομηχανικής, της πληροφορίας ως φυσικό αλλά και ως μαθηματικό εργαλείο. Έτσι, η κατανόηση των ιδιοτήτων της κβαντικής πληροφορίας (όπως π.χ. του εναγκαλισμού), κρίνεται απαραίτητη προϋπόθεση για την ανάπτυξη νέων κβαντικών τεχνολογιών. Στο πλαίσιο της διδακτορικής μου έρευνας ασχολήθηκα με α). την πλήρη κατανόηση και την περιγραφή της επικοινωνίας μεταξύ των απομακρυσμένων κβαντικών συστημάτων που αλληλεπιδρούν μέσω ενός κβαντικού πεδίου και β). την κατασκευή ενός θεωρητικού μοντέλου για την ακριβή περιγραφή του φαινομένου της μετάδοσης της πληροφορίας, η οποία δεν οδηγεί σε παραβίαση της αιτιότητας (Einstein causality). Για το σκοπό αυτό, στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε το σύστημα των δύο εντοπισμένων ανιχνευτών (αρμονικών ταλαντωτών) που αλληλεπιδρούν μέσω ενός άμαζου βαθμωτού κβαντικού πεδίου, στην κατάσταση του κενού, μέσω μίας Unruh-DeWitt αλληλεπίδρασης. Το σύστημα αυτό είναι ισοδύναμο με ένα ανοικτό κβαντικό σύστημα (QBM model), όπου το πεδίο παίζει το ρόλο του περιβάλλοντος. Είναι ακριβώς επιλύσιμο και αποτελεί ένα μοντέλο κατάλληλο για την αντιμετώπιση θεμελιωδών προβλημάτων που αφορούν στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων και πεδίου, όπως το πρόβλημα της αιτιότητας (causality) και της τοπικότητας (locality) στις μετρήσεις κβαντικού πεδίου (quantum field measurements) που σχετίζονται και με τα πρόσφατα προτεινόμενα κβαντικά πειράματα στο διάστημα. Η ανάλυση της ακριβούς λύσης της χρονικής εξέλιξης του μοντέλου μας, οδήγησε στα ακόλουθα αποτελέσματα. i). Κοινές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για την μελέτη αντίστοιχων ανοικτών κβαντικών συστημάτων αποτυγχάνουν όταν η απόσταση μεταξύ των ανιχνευτών (συστημάτων) γίνεται ίση με την τάξη μεγέθους του χρόνου αποσύνθεσης (relaxation time) του συστήματος. Συγκεκριμένα, η μελέτη της δημιουργίας των συσχετισμών μεταξύ των απομακρυσμένων ανιχνευτών (συστημάτων) δεν περιγράφεται καλά από τη συνηθισμένη θεωρία διαταραχών (θεωρία διαταραχών 2ης τάξης) και την προσέγγιση Markov. ii). Υπάρχει μια μοναδική ασυμπτωτική κατάσταση στην οποία καταλήγει το υπό μελέτη σύστημα, η οποία είναι κατάσταση συσχετισμού (correlated state), όχι όμως κατάσταση εναγκαλισμού (entangled state), εκτός και αν η απόσταση μεταξύ των ανιχνευτών είναι τάξης μεγέθους του μήκους κύματος του ανταλλασσόμενου μεταξύ τους, κβάντου. iii). Τέλος, διαπιστώθηκε ότι η εξέλιξη των φαινομενικά εντοπισμένων παρατηρήσιμων μεγεθών είναι μη-αιτιακή. Το τελευταίο είναι μια σημαντική επίδειξη του προβλήματος των δύο ατόμων του Fermi, σε ένα σύστημα που μπορεί να επιλυθεί με ακρίβεια. Υποστηρίζουμε ότι η έννοια του εναγκαλισμού στα σχετικιστικά συστήματα, και ειδικότερα η μελέτη της φυσικής σημασίας της εξαγωγής του εναγκαλισμού από το κενό (Harvesting) απαιτεί επανακαθορισμό λόγω του προβλήματος της αιτιότητας. Το αποτέλεσμα της έρευνας αυτής, αναμένεται να συμβάλλει στην ανάπτυξη του τομέα της κβαντικής πληροφορίας, μέσα από τα αποτελέσματα που αφορούν στην κατανόηση της κβαντικής επικοινωνίαςσε μεγάλες αποστάσεις.

Relaxation of interacting open quantum systems

2018 ◽  
Vol 189 (05) ◽  
Author(s):  
Vladislav Yu. Shishkov ◽  
Evgenii S. Andrianov ◽  
Aleksandr A. Pukhov ◽  
Aleksei P. Vinogradov ◽  
A.A. Lisyansky
Keyword(s):  
Open Quantum Systems ◽  
Quantum Systems ◽  
Open Quantum

scholarly journals Hamiltonian assignment for open quantum systems

2020 ◽  
Vol 2 (3) ◽  
Author(s):  
Eugene F. Dumitrescu ◽  
Pavel Lougovski
Keyword(s):  
Open Quantum Systems ◽  
Quantum Systems ◽  
Open Quantum

scholarly journals Perturbation Analysis of Quantum Reset Models

2021 ◽  
Vol 183 (1) ◽  
Author(s):  
Géraldine Haack ◽  
Alain Joye
Keyword(s):  
Steady State ◽  
Perturbation Analysis ◽  
Open Quantum Systems ◽  
Quantum Systems ◽  
Markov Semigroup ◽  
Coupling Constant ◽  
Coupling Term ◽  
Open Quantum ◽  
Effective Dynamics ◽  
A Chain

AbstractThis paper is devoted to the analysis of Lindblad operators of Quantum Reset Models, describing the effective dynamics of tri-partite quantum systems subject to stochastic resets. We consider a chain of three independent subsystems, coupled by a Hamiltonian term. The two subsystems at each end of the chain are driven, independently from each other, by a reset Lindbladian, while the center system is driven by a Hamiltonian. Under generic assumptions on the coupling term, we prove the existence of a unique steady state for the perturbed reset Lindbladian, analytic in the coupling constant. We further analyze the large times dynamics of the corresponding CPTP Markov semigroup that describes the approach to the steady state. We illustrate these results with concrete examples corresponding to realistic open quantum systems.

scholarly journals Matrix Product State Simulations of Non-Equilibrium Steady States and Transient Heat Flows in the Two-Bath Spin-Boson Model at Finite Temperatures

Entropy ◽  
2021 ◽  
Vol 23 (1) ◽  
pp. 77
Author(s):  
Angus J. Dunnett ◽  
Alex W. Chin
Keyword(s):  
Finite Temperature ◽  
Open Quantum Systems ◽  
Quantum Systems ◽  
Steady States ◽  
Matrix Product ◽  
Open Quantum ◽  
Matrix Product State ◽  
Wide Range ◽  
Boson Model ◽  
Non Equilibrium

Simulating the non-perturbative and non-Markovian dynamics of open quantum systems is a very challenging many body problem, due to the need to evolve both the system and its environments on an equal footing. Tensor network and matrix product states (MPS) have emerged as powerful tools for open system models, but the numerical resources required to treat finite-temperature environments grow extremely rapidly and limit their applications. In this study we use time-dependent variational evolution of MPS to explore the striking theory of Tamascelli et al. (Phys. Rev. Lett. 2019, 123, 090402.) that shows how finite-temperature open dynamics can be obtained from zero temperature, i.e., pure wave function, simulations. Using this approach, we produce a benchmark dataset for the dynamics of the Ohmic spin-boson model across a wide range of coupling strengths and temperatures, and also present a detailed analysis of the numerical costs of simulating non-equilibrium steady states, such as those emerging from the non-perturbative coupling of a qubit to baths at different temperatures. Despite ever-growing resource requirements, we find that converged non-perturbative results can be obtained, and we discuss a number of recent ideas and numerical techniques that should allow wide application of MPS to complex open quantum systems.

scholarly journals Memory Effects in Quantum Dynamics Modelled by Quantum Renewal Processes

Entropy ◽  
2021 ◽  
Vol 23 (7) ◽  
pp. 905
Author(s):  
Nina Megier ◽  
Manuel Ponzi ◽  
Andrea Smirne ◽  
Bassano Vacchini
Keyword(s):  
Quantum Dynamics ◽  
Open Quantum System ◽  
Open Quantum Systems ◽  
Phenomenological Approach ◽  
Quantum Systems ◽  
Renewal Processes ◽  
Continuous Part ◽  
Trace Distance ◽  
Open Quantum ◽  
And Control

Simple, controllable models play an important role in learning how to manipulate and control quantum resources. We focus here on quantum non-Markovianity and model the evolution of open quantum systems by quantum renewal processes. This class of quantum dynamics provides us with a phenomenological approach to characterise dynamics with a variety of non-Markovian behaviours, here described in terms of the trace distance between two reduced states. By adopting a trajectory picture for the open quantum system evolution, we analyse how non-Markovianity is influenced by the constituents defining the quantum renewal process, namely the time-continuous part of the dynamics, the type of jumps and the waiting time distributions. We focus not only on the mere value of the non-Markovianity measure, but also on how different features of the trace distance evolution are altered, including times and number of revivals.

scholarly journals An exponential quantum projection filter for open quantum systems

Automatica ◽  
2019 ◽  
Vol 99 ◽  
pp. 59-68 ◽  
Author(s):  
Qing Gao ◽  
Guofeng Zhang ◽  
Ian R. Petersen
Keyword(s):  
Open Quantum Systems ◽  
Quantum Systems ◽  
Open Quantum
Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document