[論文レビュー] Continuous Generation and Stabilization of Mesoscopic Field Superposition States in a Quantum Circuit

Ananda Roy, Zaki Leghtas+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、超伝導キャビティ内でメソスコピックなシュレーディンガーの猫状態を連続的に生成し、自律的に安定化するための散逸工学型量子回路スキームを提案する。2光子駆動／散逸浴と、ケラーゲン誘起周波数分裂を利用するパリティ選択的エンジニアリング浴を組み合わせることで、単一の偶数猫状態 |C+_α⌊ が安定化され、1光子損失によるデコherence が抑制され、量子情報処理のための決定的で連続的な非古典的状態準備が可能になる。

ABSTRACT

While dissipation is widely considered as being harmful for quantum coherence, it can, when properly engineered, lead to the stabilization of non-trivial pure quantum states. We propose a scheme for continuous generation and stabilization of Schr\"{o}dinger cat states in a cavity using dissipation engineering. We first generate non-classical photon states with definite parity by means of a two-photon drive and dissipation, and then stabilize these transient states against single-photon decay. The single-photon stabilization is autonomous, and is implemented through a second engineered bath, which exploits the photon number dependent frequency-splitting due to Kerr interactions in the strongly dispersive regime of circuit QED. Starting with the Hamiltonian of the baths plus cavity, we derive an effective model of only the cavity photon states along with analytic expressions for relevant physical quantities, such as the stabilization rate. The deterministic generation of such cat states is one of the key ingredients in performing universal quantum computation.

研究の動機と目的

• 連続的でロバストな方法を用いて、連続変数量子計算に不可欠な非古典的シュレーディンガーの猫状態を回路QEDで生成・安定化すること。
• 避けられない1光子損失による猫状態のデコherence という重要な課題に取り組み、それによってコherent状態の統計的混合状態への崩壊を防ぐこと。
• アクティブフィードバックや測定に基づく補正を不要とする、エンジニアリングされた系-浴相互作用を用いた自律的安定化プロトコルの実装。
• 連続波マイクロ波駆動と既存の回路QED部品のみを用いたスケーラブルで実験的に実現可能なスキームの設計。現在の超伝導キュービット技術と互換性がある。

提案手法

• 2光子散逸浴をエンジニアリングし、光子の2重損失を特に許容することで、偶数または奇数の光子数パリティを保存する。
• 2番目のエンジニアリング浴を導入し、強い分散的状態におけるケラー相互作用を介して、奇数から偶数の猫状態へのパリティ選択的崩壊を実現する。
• 断熱的除去を用いて、保存キャビティのみの有効マスタ方程式を導出し、全3モード系を解析的に導出可能な崩壊率および相互作用率を持つ扱いやすいモデルに簡略化する。
• トランスモンキュービットが2つの低Qリードアウトキャビティに結合することで生じる光子数依存周波数分裂を活用し、パリティ選択的散逸を実装する。
• 単一光子崩壊率（κ1ph）が、エンジニアリングされた2光子（κ2ph）およびパリティ選択的（κps）崩壊率よりもはるかに小さいようにシステムを設計し、望ましいダイナミクスが支配的になるようにする。
• 固定周波数および振幅の連続波マイクロ波駆動を用いて、必要な2光子駆動およびエンジニアリング散逸を実装し、測定を伴わない自律的安定化プロトコルを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブフィードバックを用いずに、超伝導回路内でメソスコピックな重ね合わせ状態（シュレーディンガーの猫状態）を連続的に生成・安定化することは可能か？
• RQ2 1光子損失が主なデコherence チャネルである猫状態において、エンジニアリングされた散逸のみを用いて効果的に補償することは可能か？
• RQ3 光子数に依存する周波数分裂が、単一の猫状態を安定化するためのパリティ選択的散逸を可能にする役割は何か？
• RQ4 2光子プロセスとパリティ選択的崩壊の組み合わせが、統計的混合状態ではなく、一意の定常状態猫状態をもたらすか？
• RQ5 現在の超伝導量子回路において実験的実現可能性とロバスト性を満たすために必要なパrameter領域（例：崩壊率、結合強度）は何か？

主な発見

• 2光子散逸浴とパリティ選択的浴を組み合わせることで、デコherence を1光子損失から抑制し、一意の偶数シュレーディンガーの猫状態 |C+_α⌊ が定常状態として安定化される。
• 望ましい猫状態の有効安定化率は解析的に導出され、断熱近似下でもロバストであることが示され、数値シミュレーションにより目的状態への収束が確認された。
• κ1ph = 1、κ2ph = 250κ1ph、κps = 120κ1ph、ϵr1 = 1000κ1ph などのパラメータセットにおいて、モデル簡略化が全3モードダイナミクスを正確に再現し、有効記述の妥当性が裏付けられた。
• 駆動振幅の変動に対してロバストであり、駆動位相に依存しないため、決定的で連続的な動作が可能である。
• キャビティ崩壊率、結合強度、駆動振幅などの必要なパラメータは、現在の回路QED実験で達成可能であり、κr1 = κr2 = 1000κ1ph および χsr2 = 2.5 × 10^4κ1ph は実験的に実現可能である。
• このスキームの単純な修正により、奇数猫状態 |C-α⌊ が安定化可能であり、偶数および奇数パリティ状態の両方に一般化可能なアプローチであることが示された。