論文の概要: A Mean-Field Lindblad Master Equation Framework for Interaction-Driven Decoherence in Solid-State Qubit Ensembles
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.25261v1
- Date: Wed, 24 Jun 2026 00:49:23 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-06-25 17:05:30.17944
- Title: A Mean-Field Lindblad Master Equation Framework for Interaction-Driven Decoherence in Solid-State Qubit Ensembles
- Title（参考訳）: 固体量子集合における相互作用駆動デコヒーレンスのための平均リンドブラッドマスター方程式フレームワーク
- Authors: Dhiman Nandi, Sanghamitra Neogi,
- Abstract要約: マルチキュービットシステムはスケーラブルな量子技術には不可欠であるが、その性能はキュービット・キュービット相互作用と環境ノイズの非コヒーレンスによって制限されることが多い。
そこで我々は,相互作用するマルチキュービット環境における固体量子ビットの集団およびコヒーレンスダイナミクスのための,マルチキュービット平均場Lindblad Master equation (MQMF-LME) フレームワークを開発する。
この枠組みは、1つのキュービットを利害の系として扱い、周囲のキュービットを有効浴、本質的な緩和、およびシステムと浴の間の励起伝達として扱う。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Multi-qubit systems are essential for scalable quantum technologies, but their performance is often limited by decoherence from qubit--qubit interactions and environmental noise. Although environmental decoherence in single-qubit systems and gate fidelity in multi-qubit systems have been widely studied, a predictive framework connecting qubit interactions, concentration, spatial distribution, and bath occupation to relaxation and decoherence times remains lacking. Here, we develop a multi-qubit mean-field Lindblad master equation (MQMF-LME) framework for the population and coherence dynamics of a solid-state qubit in an interacting multi-qubit environment. The framework treats one qubit as the system of interest and the surrounding qubits as an effective bath, incorporating intrinsic relaxation and bidirectional excitation transfer between the system and the bath. Analytical solutions provide closed-form expressions for density-matrix dynamics, steady-state populations, relaxation time $T_1$, and decoherence time $T_2$, while numerical simulations extend the framework to concentration-dependent dynamics, $1/f$-noise-induced dephasing, and material-specific excitation-transfer mechanisms. For a model system with Förster resonance energy transfer (FRET)-mediated excitation exchange, higher qubit concentrations reduce both $T_1$ and $T_2$, whereas $1/f$ noise reduces $T_2$ without changing $T_1$. Applied to Er$^{3+}$-doped CeO$_2$, the framework shows that long-range FRET-mediated excitation transfer reproduces the experimental decrease in relaxation time with dopant concentration, whereas short-range Dexter-type exchange does not, identifying FRET-mediated excitation transfer as the dominant mechanism. The MQMF-LME framework provides a modular route for linking microscopic interactions and environmental noise sources to measurable decoherence times in solid-state multi-qubit systems.
- Abstract（参考訳）: マルチキュービットシステムはスケーラブルな量子技術には不可欠であるが、その性能はキュービット-キュービット相互作用と環境ノイズからのデコヒーレンスによって制限されることが多い。
単一量子系における環境デコヒーレンスと多量子系におけるゲートの忠実度は広く研究されているが, 緩和と非コヒーレンス時間に係わるクビット相互作用, 濃度, 空間分布, 浴槽占有を結合する予測的枠組みはいまだに欠如している。
そこで我々は,相互作用するマルチキュービット環境における固体量子ビットの集団およびコヒーレンスダイナミクスのための,マルチキュービット平均場Lindblad Master equation (MQMF-LME) フレームワークを開発する。
本フレームワークは、1量子ビットを利害の系として、周囲の量子ビットを有効浴として扱い、本システムと浴の間の内在的緩和と双方向の励起伝達を取り入れた。
解析解は密度行列力学、定常状態人口、緩和時間$T_1$、デコヒーレンス時間$T_2$に対して閉形式表現を提供する一方、数値シミュレーションは濃度依存力学、1/f$-ノイズ誘起デファス、物質固有の励起-伝達機構に拡張する。
Förster resonance energy transfer (FRET) による励起交換を持つモデル系では、より高い量子ビット濃度は$T_1$と$T_2$の両方を減少させるが、1/f$ノイズは$T_1$を変更することなく$T_2$を減少させる。
Er$^{3+}$-doped CeO$_2$に応用すると、長距離FRETを介する励起転移はドパント濃度で緩和時間の実験的減少を再現するが、短距離デクスター型交換は、FRETを介する励起転移を支配的な機構とみなすことができない。
MQMF-LMEフレームワークは、固体多ビット系における微小相互作用と環境ノイズ源を測定可能なデコヒーレンス時間にリンクするためのモジュラー経路を提供する。
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