[論文レビュー] A driven quantum superconducting circuit with multiple tunable degeneracies

Jayameenakshi Venkatraman, Rodrigo G. Cortinas+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、スリッピング駆動を介してKerrオシレーター内に複数の調整可能なスペクトルデゲネラシーを実現する駆動型超伝導量子回路を提示する。Δ = 2mK（mは整数）のとき、正確でパリティ保護型のデゲネラシーが実現され、これにより量子干渉の制御的利用が可能になる。この系は非協同的な井戸遷移の抑制が顕著に見られ、寿命が向上したスーパー保護型キャットキュービットを形成する。本研究は、エンジニアド量子干渉を用いたフォールトトレランス量子情報処理の新たな道筋を示す。

ABSTRACT

We present the experimental discovery of multiple simultaneous degeneracies in the spectrum of a Kerr oscillator subjected to a squeezing drive. This squeezing, in combination with the Kerr interaction creates an effective static two-well potential in the frame rotating at half the frequency of the sinusoidal driving force. Remarkably, these degeneracies can be turned on-and-off on demand, and their number is tunable. We find that when the detuning $Δ$ between the frequency of the oscillator and characteristic frequency of the drive equals an even multiple of the Kerr coefficient $K$, $Δ/K = 2m$, the oscillator displays $m + 1$ exact, parity-protected, spectral degeneracies, insensitive to the drive amplitude. The degeneracies stem from the unusual destructive interference of tunnel paths in the classically forbidden region of the double well static effective potential that models our experiment. Exploiting this interference, we measure a peaked enhancement of the incoherent well-switching lifetime creating a super-protected cat qubit in the ground state manifold of our oscillator. {Our results demonstrate the relationship between degeneracies and noise protection in quantum systems.

研究の動機と目的

• 駆動型Kerr系を用いて、非線形超伝導オシレーター内に複数の調整可能なスペクトルデゲネラシーをエンジニアリングすること。
• これらのデゲネラシーが駆動振幅に依存せず、二重井戸ポテンシャル内での破壊的量子干渉に起因することを実証すること。
• 制御されたデゲネラシーの調整を通じて、非協同的井戸遷移寿命が向上したスーパー保護型キャットキュービットを実現すること。
• 回路量子電磁力学における量子相転移およびノイズ保護の研究のための新プラットフォームを確立すること。
• 現地での周波数調整により、キャットキュービットに連続的なZゲート機能を提供すること。

提案手法

• 系は、Kerr非線形性とスリッピング駆動を有する正弦波駆動非線形オシレーターを記述する時間依存ハミルトニアンでモデル化される。
• 標準形を超える回転波近似を用いることで、動的系が二重井戸ポテンシャルを持つ静的有効ハミルトニアンに写像される。
• 有効ハミルトニアンには、デチューニングΔ、Kerr係数K、駆動誘起カップリングε₂が含まれ、有限高の二重井戸ポテンシャルを形成する。
• Δ/K = 2m（mは整数）のとき、m+1個の正確でパリティ保護型エネルギー準位のクロスイングが生じる。
• デゲネラシーは、二重井戸の古典的禁制領域におけるトンネル経路の破壊的干渉に起因する。
• 駆動周波数および振幅の関数として、系のスペクトルが実験的に測定され、デゲネラシー点で寿命のピークが観測された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動型Kerrオシレーターが複数の正確なスペクトルデゲネラシーを示す条件は何か？
• RQ2 スリッピング駆動によって形成される二重井戸ポテンシャル内でのトンネルを抑制する量子干渉のメカニズムは何か？
• RQ3 デゲネラシーの数と存在を独立的かつオンデマンドで調整可能か？
• RQ4 デゲネラシーが非協同的キュービットデコherenceダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ5 この系は、対称性保護型デゲネラシーを介して、フォールトトレランス型キャットキュービットを、より高いコherencyで実現可能か？

主な発見

• デチューニングΔがKerr係数Kの偶数倍（Δ/K = 2m）であるとき、駆動振幅に依存しないm+1個の正確でパリティ保護型スペクトルデゲネラシーが観測される。
• デゲネラシーは、有効二重井戸ポテンシャルの古典的禁制領域におけるトンネル経路の破壊的干渉に起因する。
• デゲネラシー点で非協同的井戸遷移の寿命がピークに達し、スーパー保護型キャットキュービットが定義される。
• 駆動周波数の現地調整により、キャットキュービットにおける連続Zゲート操作が実現された。
• 有効ハミルトニアンは、デゲネラシー点で離散的な正確な対称性を支持し、基底状態および励起状態におけるトンネル分裂を抑制する連続的な近似的対称性を持つ。
• 実験結果は、スリッピング駆動Kerrオシレーターにおけるバイステービリティおよびノイズ耐性の理論的予測を確認しており、スペクトルおよび寿命測定において定量的整合性を示した。