[論文レビュー] A Phononic Bus for Coherent Interfaces Between a Superconducting Quantum Processor, Spin Memory, and Photonic Quantum Networks

Tomáš Neuman, Matt Eichenfield+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、圧電効果とスピン-ひずみ結合を介して、超伝導マイクロ波キュービット、炭素-バケーション中心におけるスピンキュービット、光ネットワーク間で高精度な量子状態変換を可能にするフォノンバスを提案する。MHzスケールの帯域幅と最適化されたフォノンキャビティを備えた本手法は、99%を超える量子状態転送の優れた忠実度を達成し、長寿命メモリ、高精度ゲート、長距離接続性を備えたスケーラブルなハイブリッド量子アーキテクチャを実現する。

ABSTRACT

We introduce a method for high-fidelity quantum state transduction between a superconducting microwave qubit and the ground state spin system of a solid-state artificial atom, mediated via an acoustic bus connected by piezoelectric transducers. Applied to present-day experimental parameters for superconducting circuit qubits and diamond silicon vacancy centers in an optimized phononic cavity, we estimate quantum state transduction with fidelity exceeding 99\\% at a MHz-scale bandwidth. By combining the complementary strengths of superconducting circuit quantum computing and artificial atoms, the hybrid architecture provides high-fidelity qubit gates with long-lived quantum memory, high-fidelity measurement, large qubit number, reconfigurable qubit connectivity, and high-fidelity state and gate teleportation through optical quantum networks.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットのコherences時間、長距離接続性、キュービットのスケーラビリティ、読み出し忠実度の制限を、固体状態人工原子と統合することで解決すること。
• フォノンバスを仲介として、マイクロ波キュービット、スピンキュービット、光ネットワークといった異種の量子系間で、高精度でコherentな量子状態転送を実現すること。
• 超伝導回路（高速で高精度のゲート）と人工原子（長寿命のコherences、光学的接続性）の相補的な利点を活用し、スケーラブルな量子情報処理を実現すること。
• 光学トランスポートを介した量子インターネット統合を実現する、決定的スピンアドレス指定、長寿命量子メモリ、および統合されたハイブリッド量子アーキテクチャの実現可能性を示すこと。

提案手法

• スピン-ひずみ結合と圧電効果を介して、1つのフォノンと炭素-バケーション（SiV−）中心の電子スピンとの強い結合を実現するフォノンキャビティを設計する。
• 4インターフェース量子アーキテクチャを採用：マイクロ波からフォノン、フォノンからスピン、スピンから核スピン（メモリ用）、スピンから光学フォトン（ネットワーキング用）。
• フォノンからスピンへの転送をモデル化するため、超伝導フラックスキュービットとSiV−中心の実験的パラメータを反映したマスター方程式を用いる。
• 時間的に変調された有効結合ハミルトニアンを導出し、Mølmer-Sørensen型ゲートを実装することで、共通のフォノンモードを介した2つの電子スピンのエンタングルメントを可能にする。
• 回転波近似の下で、有効結合定数 $ g_{\rm M-S} \approx \frac{(g_{\rm eff}^{0})^2}{8\delta_{\rm MS}} $ が導出され、$ |{\rm gg},0\rangle $ と $ |{\rm ee},0\rangle $ 間でのコherentな状態遷移が可能になる。
• 設計により、最小限のデ coherent による決定的かつ高精度な状態転送が可能であり、現実的なデ coherent レートを想定した状態遷移ダイナミクスのシミュレーションにより検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノンバスは、超伝導マイクロ波キュービットと人工原子内のスピンキュービット間で高精度な量子状態転送を仲介できるか？
• RQ2 フォノンキャビティ内での圧電効果とスピン-ひずみ結合を用いた場合、マイクロ波とスピン自由度間の転送で達成可能な忠実度はどの程度か？
• RQ3 ハイブリッドアーキテクチャは、1つのプラットフォームで長寿命量子メモリとスケーラブルな長距離接続性を実現できるか？
• RQ4 共通のフォノニックモードを介して、複数のスピンキュービットの決定的エンタングルメント生成が可能か？
• RQ5 MHzスケールの帯域幅で、ほぼ100%の忠実度を達成するための最適なキャビティおよび結合パラメータは何か？

主な発見

• 現在の実験的パラメータ下で、超伝導マイクロ波キュービットとSiV−中心の電子スピン間の量子状態転送忠実度は99%を超える。
• フォノンキャビティ設計により、1つのフォノンとSiV−スピンとの強い結合が実現され、MHzスケール帯域幅で高精度な状態転送が可能になった。
• ハイパーフィンの結合を介した13C核スピンへの結合により、長寿命量子メモリが実現され、コherences時間は1分を超える。
• アーキテクチャは、光学ネットワークを通じた高精度ゲート操作と状態トランスポートをサポートし、長距離接続性を実現する。
• シミュレーションにより、$ |{\rm gg},0\rangle $ と $ |{\rm ee},0\rangle $ 間のコherentな状態遷移が、理想の $ 0.5[\cos(2g_{\rm MS}t)+1] $ プロファイルと一致する忠実度で実現され、有効なMølmer-Sørensenゲート動作が確認された。
• 共通のフォノンモードを介して2つの電子スピンのGHZ状態を決定的に準備でき、現実的なデ coherent 条件下でも忠実度が維持された。