[論文レビュー] A Quantum Single Photon Transistor in Circuit Quantum Electrodynamics

Lukas Neumeier, Martin Leib+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、2つの伝送線が2つの相互作用するトランモンキュービットを介して結合された、回路量子電磁力学（circuit QED）を用いた量子単一光子トランジスタを提案する。1つの線路に存在する単一光子が、強いキュービット媒介相互作用により、他の線路における光子伝送を遮断または許可することで、スケーラブルで同一のパルスフォーマットを用いた級乗操作が可能となる高オフ・オン比を達成する。

ABSTRACT

We introduce a circuit quantum electrodynamical setup for a single-photon transistor. In our approach photons propagate in two open transmission lines that are coupled via two interacting transmon qubits. The interaction is such that no photons are exchanged between the two transmission lines but a single photon in one line can completely block respectively enable the propagation of photons in the other line. High on-off ratios can be achieved for feasible experimental parameters. Our approach is inherently scalable as all photon pulses can have the same pulse shape and carrier frequency such that output signals of one transistor can be input signals for a consecutive transistor.

研究の動機と目的

• すべての光的量子論理に適した、スケーラブルな単一光子トランジスタの設計。
• 単一光子をスイッチとして用いて、単一光子の伝送を決定的制御すること。
• チャネル間の直接的光子交換なしに、高いオフ・オン対比での光子透過を達成すること。
• トランジスタ間で同一のパルス形状とキャリア周波数を用いることで、級乗アーキテクチャとの互換性を確保すること。

提案手法

• 2つの開放された伝送線が、光子の直接的交換なしに、光子相互作用を媒介する2つのトランモンキュービットで結合される。
• トランモンキュービットを調整することで、強い非共鳴相互作用を誘発し、条件付きの伝送遮断を可能にする。
• 光子状態が同一のパルス形状とキャリア周波数で準備されることで、複数のトランジスタを直接級乗接続可能となる。
• システムは強結合状態で動作し、キュービット状態の操作により単一光子レベルでの制御が可能となる。
• ハミルトニアンが設計されており、1つの線路に存在する単一光子がキュービットの共鳴周波数をシフトさせ、結果として他の線路での伝送を遮断する。
• 実験的実現可能性とスケーラビリティを考慮し、回路QEDアーキテクチャを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的光子交換なしに、回路QED構成で単一光子が他の光子の伝送を制御可能か？
• RQ2 スケーラブルな回路QEDアーキテクチャにおいて、単一光子スイッチングの達成可能なオフ・オン比はどの程度か？
• RQ3 同一の光子パルスを用いて、複数の単一光子トランジスタをどのように級乗接続できるか？
• RQ4 キュービット媒介相互作用が、条件付き伝送遮断を可能にする役割は何か？
• RQ5 実現可能な実験的パrameterを用いて、高精度な単一光子スイッチングが達成可能か？

主な発見

• 本システムは、光子透過に対して高いオフ・オン比を達成し、効果的な単一光子スイッチングを可能にする。
• 1つの伝送線に存在する単一光子が、キュービット媒介相互作用により、他の線路での伝送を完全に遮断または許可できる。
• すべての光子パルスが同一の形状とキャリア周波数を持つため、本設計は級乗操作が可能である。
• 2つの伝送線間の直接的光子交換なしに、キュービット媒介結合に依存する。
• 入力パルスの一様性とモジュール型トランジスタアーキテクチャとの適合性により、本アプローチはスケーラブルである。
• 実現可能な実験的パラメータが、提案された単一光子トランジスタの実現を支持する。