[論文レビュー] Controllable anisotropic quantum Rabi model beyond the ultrastrong coupling regime with circuit QED systems

Yimin Wang, Wen‐Long You+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

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

ひとこと要約

本論文は、フラックスキュービットに二色の時間依存磁束を印加することにより、超強い結合領域を超えた異方的量子ラビ模型（AQRM）を実験的に実現する、回路QEDに基づく手法を提案する。この手法により、回転項と反転項の結合定数を独立して制御でき、極端な結合領域へのアクセスが可能となり、スレーティング・キャット状態や制御された位相ゲートといった量子状態工学が実現可能となる。

ABSTRACT

By manipulating the flux qubits with bichromatic time-dependent magnetic fluxes in standard circuit QED systems, we propose an experimentally-accessible method to approach the physics of the anisotropic quantum Rabi model (AQRM) in broad parameter ranges, where the rotating and counter-rotating interactions are governed by two different coupling constants. Assisted by theoretical derivations and numerical calculations, we show that our scheme not only allows for individual control of the parameters in the simulated AQRM but also reproduces the dynamics of the ultrastrong and deep strong coupling regimes. Therefore, our scheme advances the investigation of extremely strong interactions of the AQRM, which are usually experimentally unattainable. Furthermore, associated with the special case of the degenerate AQRM, we demonstrate that our setup may also find applications for protected quantum memory and quantum computation since it can be used to generate the Schr\{o}dinger cat states and the quantum controlled phase gates when scaling up.

研究の動機と目的

• 従来到達できなかったパラメータ領域における異方的量子ラビ模型（AQRM）の実験的アクセスを拡張すること。
• 超伝導回路構成において、回転項と反転項の結合強度を独立して制御すること。
• 実験的に実現可能な手法を用いて、AQRMの超強い結合および深く強い結合領域におけるダイナミクスを調査すること。
• 状態工学を通じて、保護された量子メモリおよび量子計算への応用可能性を示すこと。

提案手法

• このスキームは、標準的な回路QEDアーキテクチャ内におけるフラックスキュービットの結合定数を、二色の時間依存磁束によって調整する。
• 理論的導出と数値シミュレーションを用いて、駆動された系を、回転項と反転項のそれぞれに異なる結合定数を持つAQRMハミルトニアンに写像する。
• 系の有効ハミルトニアンは、回転項と反転項の相互作用が2つの独立した結合定数によって支配されるように設計されている。
• この手法により、超強い結合領域および深く強い結合領域を含む広範なパラメータ範囲での調整が可能となる。
• この構成はスケーラブルであり、スレーティング・キャット状態などの非古典的状態の生成を支援する。
• このスキームはAQRMの縮退極限を活用し、量子制御位相ゲートの実装を可能とし、量子計算への応用を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異方的量子ラビ模型は、回路QED系において超強い結合領域を超えて実現可能か？
• RQ2 超伝導量子回路において、回転項と反転項の結合定数を独立して制御可能か？
• RQ3 このスキーム下で、深く強い結合領域におけるAQRMのダイナミカルな性質は何か？
• RQ4 この装置はスレーティング・キャット状態を生成可能か？また、量子制御位相ゲートを実装可能か？
• RQ5 この系は、保護された量子メモリおよびフォールトトレラント量子計算に適しているか？

主な発見

• 提案されたスキームにより、超強い結合領域および深く強い結合領域を含む広範なパラメータ範囲において、異方的量子ラビ模型への実験的アクセスが可能となった。
• 回転項と反転項の相互作用は、2つの異なる結合定数によって支配され、これらの項の独立した制御が可能となった。
• 数値的シミュレーションにより、提案された駆動プロトコル下でAQRMハミルトニアンの正確な実現が確認された。
• AQRMの縮退極限において、スレーティング・キャット状態の生成が可能であることが示された。
• 系のスケーリングにより、量子制御位相ゲートの実装が可能となり、量子計算への応用が可能となった。
• このスキームは、強く結合した光・物質系における極限的な量子相関および非平衡ダイナミクスを研究する実用的プラットフォームを提供する。