[論文レビュー] Coherent oscillations between classically separable quantum states of a superconducting loop

Vladimir Manucharyan, Jens Koch+3 more|ArXiv.org|Oct 16, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高インダクタンスループと新規の分散型読み出し方式を用いることで、パルセル効果を回避した超伝導フラックスオン qubit において、古典的に分離可能な磁束状態間で一貫したマクロな量子振動を実証した。コherence品質要因 Q_MQC = 580 を達成し、サブGHzの振動が最小限のデ coherent で実現された。これは、強固でリセット可能な qubit プラットフォームにおけるマクロな量子コherenceの妥当性を裏付けた。

ABSTRACT

Ten years ago, coherent oscillations between two quantum states of a superconducting circuit differing by the presence or absence of a single Cooper pair on a metallic island were observed for the first time. This result immediately stimulated the development of several other types of superconducting quantum circuits behaving as artificial atoms, thus bridging mesoscopic and atomic physics. Interestingly, none of these circuits fully implements the now almost 30 year old proposal of A. J. Leggett to observe coherent oscillations between two states differing by the presence or absence of a single fluxon trapped in the superconducting loop interrupted by a Josephson tunnel junction. This phenomenon of reversible quantum tunneling between two classically separable states, known as Macroscopic Quantum Coherence (MQC), is regarded crucial for precision tests of whether macroscopic systems such as circuits fully obey quantum mechanics. In this article, we report the observation of such oscillations with sub-GHz frequency and quality factor larger than 500. We achieved this result with two innovations. First, our ring has an inductance four orders of magnitude larger than that considered by Leggett, combined with a junction in the charging regime, a parameter choice never addressed in previous experiments. Second, readout is performed with a novel dispersive scheme which eliminates the electromagnetic relaxation process induced by the measurement circuit (Purcell effect). Moreover, the reset of the system to its ground state is naturally built into this scheme, working even if the transition energy is smaller than that of temperature fluctuations. As we argue, the MQC transition could therefore be, contrary to expectations, the basis of a superconducting qubit of improved coherence and readout fidelity.

研究の動機と目的

• A.J. レギットが提唱したように、超伝導ループ内で古典的に分離可能な2つの量子状態間のマクロな量子コherence (MQC) を実現および観測すること。
• MQCシステムにおける2つの主要なデ coherent メカニズム、(i) 測定回路による減衰（パルセル効果）および (ii) ループ内での磁束ノイズを克服すること。
• 空間的に分離された磁束状態間で長寿命かつ一貫性のある振動を可能にする超伝導 qubit アーキテクチャを開発すること。
• コherenceを保持し、高精度な初期化と測定を可能にする読み出しおよびリセット機構を実証すること。

提案手法

• 従来の RF-SQUID 実験と比較して4桁以上大きなインダクタンスを持つフラックスオン qubit を設計し、外部磁束ノイズへの感受性を低減する。
• 小さなジョセフソン接合をキャパシタンス支配領域で動作させ、トンネル周波数を最小限に抑え、状態の分離性を向上させる。
• 高品質因子（Q ≈ 400）のトランスミッションライン共振器を用いた分散型読み出し方式を実装し、電磁気的リラクゼーションおよびパルセル減衰を回避する。
• qubit を共振器に接続するためのインターディジテートキャパシタンスを用い、結合強度 g ≈ 2π × 135 MHz の強力で調整可能な結合を実現する。
• リセットパルスを適用して qubit を基底状態に初期化し、分散型読み出し機構に内在する自然なリセット機能を活用する。
• 2つのπ/2パルスを自由発展時間で分離して適用することで、|L⟩ と |R⟩ 状態間の振動を観測するラームゼイ干渉計測定により MQC コherence を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部ノイズが最小限の超伝導ループにおいて、古典的に分離可能な2つの磁束状態間のコherentな振動が観測可能か？
• RQ2 高精度な読み出しとリセットを維持しつつ、超伝導 qubit においてパルセル効果を回避可能か？
• RQ3 高インダクタンス・低トンネル周波数のフラックスオンアーキテクチャが、磁束ノイズおよび環境結合によるデ coherent を抑制するか？
• RQ4 このようなシステムにおける MQC 振動の実際のコherence 時間は何か？ また、理論的ノイズ制限予測と比較するとどうなるか？
• RQ5 このシステムは、マクロな系における量子力学の限界を検証する強固なプラットフォームとして機能可能か？

主な発見

• 時間領域で |L⟩ と |R⟩ 状態間のコherentな振動が観測され、ラームゼイ縞の減衰時間は T_Ramsey = 250 ns であった。
• コherence 品質要因は Q_MQC = T_Ramsey × ω_01 = 580 と測定され、通常の超伝導 qubit よりも顕著に高い値であった。
• 測定されたコherence 時間（250 ns）は、T_1 > 5 μs のリラクゼーション時間よりも著しく短く、エネルギーリラクゼーションを超える主要なデ coherent チャネルが存在することを示唆している。
• 通常の磁束ノイズ（1 Hz で 10⁻⁶ Φ₀/Hz¹/²）および臨界電流ノイズ（1 Hz で 10⁻⁶ I₀/Hz¹/²）の下でも、予測されるコherence 時間は10 ms を超えるが、実際の測定値はそれより短く、説明のつかないデ coherent メカニズムが存在する可能性を示している。
• 系のコherence は半分の磁束量子点（Φ_ext = Φ₀/2）から離れるほど向上し、インダクタンスの微分 dω₀₁/dL が Φ_ext = Φ₀/2 で最小であることを示している。
• qubit の低遷移周波数（サブGHz）および強固なリセット機能は、ナノメカニカル系や将来のトポロジカル qubit アーキテクチャへの結合に有望である。