[論文レビュー] Circuit Quantum Electrodynamics

Lev S. Bishop|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2010

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 10

ひとこと要約

この博士論文は、量子コンピューティングのためのプラットフォームとしてではなく、量子物理学における基本的問いに答えるためのツールとして、回路量子電磁力学（cQED）を検討する。超伝導回路を人工原子として用い、それらを伝送線路共振器に結合することで、真空ラビ分裂、強い結合、量子状態工学といった量子現象を模擬・探査する方法を示した。固体状態環境において基礎的量子力学を制御可能にテストできるプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Circuit Quantum Electrodynamics (cQED), the study of the interaction between superconducting circuits behaving as artificial atoms and 1-dimensional transmission-line resonators, has shown much promise for quantum information processing tasks. For the purposes of quantum computing it is usual to approximate the artificial atoms as 2-level qubits, and much effort has been expended on attempts to isolate these qubits from the environment and to invent ever more sophisticated control and measurement schemes. Rather than focussing on these technological aspects of the field, this thesis investigates the opportunities for using these carefully engineered systems for answering questions of fundamental physics.

研究の動機と目的

• 回路量子電磁力学（cQED）システムが、量子情報処理の応用に注目を向けるのではなく、量子物理学における基本的問いに答えるためのプラットフォームとしての可能性を調査すること。
• 人工原子としてモデル化された設計された超伝導回路が、制御可能で固体状態の環境においてどのように量子現象を模擬・研究できるかを検討すること。
• 強い結合およびコherent制御下での量子系の挙動を検討し、量子力学の基礎的側面をテストすることに焦点を当てる。
• cQEDシステムが、真空ラビ分裂、量子状態の転送、量子測定のバックアクションといった現象をテストベッドとして機能できることを示すこと。
• 回路ベースのアーキテクチャにおいて、量子電磁力学の高精度な研究に用いる理論的・実験的枠組みを提供すること。

提案手法

• 離散的なエネルギー準位を示すように設計された超伝導回路を、2準位量子系（キュービット）として機能させる。
• 人工原子を1次元伝送線路共振器に結合することで、光・物質の強い相互作用を実現し、キャビティ量子電磁力学（cQED）を模倣する。
• 人工原子と共振器内の量子化電磁場との相互作用を記述するため、回路量子電磁力学ハミルトニアンを用いる。
• ラビ振動やラームブルー干渉計測定法などの量子光学的手法を用い、系の量子状態およびダイナミクスを調べる。
• マイクロ波を用いた制御および測定プロトコルにより、高精度な量子状態の準備、操作、読み出しを実現する。
• 真空ラビ分裂や真空誘発ラビ振動などの条件下での系の挙動を分析し、量子相関およびデコherenceのメカニズムを探る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路量子電磁力学（cQED）システムは、量子情報処理の役割を超えて、基礎的量子現象を研究するのにも使用可能だろうか？
• RQ2 超伝導回路アーキテクチャにおける人工原子は、共振器内の量子化マイクロ波場とどのように強い結合を示すのか？
• RQ3 固体状態のcQED装置において、真空ラビ分裂といった量子電磁力学の兆候を観測・測定できるか？
• RQ4 これらの設計された系が、量子測定やもつれといった基礎的量子力学的側面をどれほど模擬・探査できるか？
• RQ5 デコherenceおよび環境との結合は、cQEDシステムにおける量子効果の観測にどのように影響を与えるか？

主な発見

• この論文は、cQEDシステムが人工原子とマイクロ波フォトンの間で強い結合を達成でき、観測可能な真空ラビ分裂を引き起こせることを示した。
• 人工原子の基底状態と励起状態の間のラビ振動が観測され、マイクロ波パルスによるキュービットのコherent制御が確認された。
• 真空誘発ラビ振動が測定され、人工原子のダイナミクスに量子真空揺らぎが影響を与えている証拠が得られた。
• 高精度な状態準備および読み出しを示し、量子状態の精密な特徴付けとその時間発展の分析が可能になった。
• ジェイネス＝カミングスハミルトニアンに基づく理論的モデリングが、観測されたエネルギー準位のずれと結合定数を正確に記述した。
• 本研究は、cQEDが量子コンピューティングのプラットフォームにとどまらず、調整可能で固体状態の環境において基礎的量子効果を探査する多目的なツールであると確立した。