[論文レビュー] Circuit Quantum Electrodynamics with Electrons on Helium

A. Fragner|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超流動ヘリウム上に捕らえられた1つの電子を用いた回路量子電磁力学プラットフォームを提案する。この系は、電子の運動状態およびスピン状態の両方と強力にコherentに結合可能であり、電荷状態では10ナノ秒未塔、スピン状態では1マイクロ秒未塔で光子の交換が可能である。これにより、量子情報処理および非破壊的電子状態読み出しに大きな可能性を秘めている。

ABSTRACT

We propose to couple an on-chip high finesse superconducting cavity to the lateral-motion and spin state of a single electron trapped on the surface of superfluid helium. We estimate the motional coherence times to exceed 15 microseconds, while energy will be coherently exchanged with the cavity photons in less than 10 nanoseconds for charge states and faster than 1 microsecond for spin states, making the system attractive for quantum information processing and cavity quantum electrodynamics experiments. Strong interaction with cavity photons will provide the means for both nondestructive readout and coupling of distant electrons.

研究の動機と目的

• 超流動ヘリウム上に1つの電子を用いたスケーラブルな量子情報処理プラットフォームの開発を目的とする。
• 電子状態とキャビティ光子の間で強い、コherentな結合を実現し、量子制御を可能にする。
• 電子系における非破壊的読み出しと長寿命な量子コherenceを実現する。
• 電子の運動およびスピン自由度を有するキャビティ量子電磁力学の検討を目的とする。

提案手法

• 高フィネスの超伝導マイクロ波キャビティを用い、超流動ヘリウム上での電子の横方向運動と結合する。
• 電子の2次元的運動およびスピン自由度を量子系として活用する。
• キャビティの電磁モードを設計し、電子の電荷状態およびスピン状態と共鳴的に相互作用させる。
• ヘリウム上での電子波動関数の局在を活用し、デコherenceを最小限に抑え、結合を強化する。
• 回路QED形式を用いて系をモデル化し、結合定数およびコherence時間の予測を行う。
• 光子交換ダイナミクスをシミュレートし、電子状態とキャビティ光子との間の相互作用時間スケールを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超流動ヘリウム上に1つの電子を、超伝導キャビティモードとコherentに結合させることで、量子情報処理への応用が可能か？
• RQ2 このプラットフォームにおいて、電子の運動状態およびスピン状態の達成可能なコherence時間はどの程度か？
• RQ3 電荷状態およびスピン状態において、電子とキャビティ光子との間で、どの程度の速さでコherentなエネルギー交換が可能か？
• RQ4 この系は、キャビティ光子の測定を用いて非破壊的かつ高精度な電子状態読み出しが可能か？
• RQ5 このアーキテクチャにおいて、共有キャビティ光子を介して遠く離れた電子を結合できる可能性はどの程度か？

主な発見

• 電子の運動コherence時間は15マイクロ秒を超えると推定され、長寿命な量子状態を示している。
• 電子の電荷状態とキャビティ光子との間で、10ナノ秒未塔のコherentエネルギー交換が可能である。
• 電子のスピン状態とキャビティ光子との間で、1マイクロ秒未塔のコherent結合が可能である。
• 強い相互作用により、キャビティ光子の測定を用いた非破壊的電子状態読み出しが可能である。
• この系は、共有キャビティ光子を介して遠く離れた電子同士を結合可能であり、スケーラブルな量子ネットワークの実現が可能である。
• 長寿命なコherence時間と高速かつコherentな相互作用を両立するため、量子情報処理に非常に有望なプラットフォームである。