[論文レビュー] Cryogenic microwave link for quantum local area networks

W. K. Yam, Michael Renger+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、6.6 m 離れた2台のドゥルーシュ冷凍機を結ぶ低温マイクロ波量子リンクを実証し、最大1 K の温度で堅牢な二モードスリッピングもつれ状態の分配を可能にした。システムは超伝導同軸送信線と低温増幅を用い、量子コherenceを維持する。実験的にフラクチュエーション・ドレイン理論を検証し、スケーラブルな分散超伝導量子計算ネットワークの基盤を確立した。

ABSTRACT

Scalable quantum information processing with superconducting circuits is expected to advance from individual processors located in single dilution refrigerators to more powerful distributed quantum computing systems. The realization of hardware platforms for quantum local area networks (QLANs) compatible with superconducting technology is of high importance in order to achieve a practical quantum advantage. Here, we present a fundamental prototype platform for a microwave QLAN based on a cryogenic link connecting two separate dilution cryostats over a distance of $6.6$ m with a base temperature of $52$ mK in the center. Superconducting microwave coaxial cables are employed to form a quantum communication channel between the distributed network nodes. We demonstrate the continuous-variable entanglement distribution between the remote dilution refrigerators in the form of two-mode squeezed microwave states, reaching squeezing of $2.10 \pm 0.02$ dB and negativity of $0.501 \pm 0.011$. Furthermore, we show that quantum entanglement is preserved at channel center temperatures up to $1$ K, paving the way towards microwave quantum communication at elevated temperatures. Consequently, such a QLAN system can form the backbone for future distributed quantum computing with superconducting circuits.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサと互換性を持つ量子ローカルエリアネットワーク（QLAN）のハードウェアプラットフォームの開発を目的とする。
• 分離されたドゥルーシュ冷凍機間で長距離かつコherentなマイクロ波ベースの量子通信を可能にする。
• 現実的な熱的条件下で、低温マイクロ波送信チャネル内における量子もつれの維持を目的とする。
• 1 K までに温度を上昇させた状態でももつれの頑健性を測定することにより、超伝導量子リンクにおけるフラクチュエーション・ドレイン理論の実験的検証を目的とする。
• マイクロ波周波数の量子リンクを用いたスケーラブルかつモジュラーな分散量子計算アーキテクチャの構築を目的とする。

提案手法

• 6.6 m 離れた2台のドゥルーシュ冷凍機間を結ぶ量子通信チャネルとして、超伝導同軸マイクロ波送信線が用いられた。
• 両端にジョセフソンパラメトリックアンプ（JPA）を設け、5.65 GHz で二モードスリッピング状態を生成および検出する。
• 低温高電子移動度トランジスタ（HEMT）アンプと常温アンプを組み合わせ、信号を増幅しながら追加雑音を最小限に抑えた。
• 加熱可能な30 dBアタネーターを自己校正ブラックボディ源として用い、プランクスペクトロスコピーを用いて光子数のキャリブレーションを実現した。
• Wigner関数の特徴付けに、ガウス状態を仮定した四次モーメントまでを用いた基準状態再構成による量子状態再構成が行われた。
• ポンプ周波数を信号周波数の2倍（ωp = 2ω0）に保つために位相ロックループを用い、10 MHzルビジウム標準がすべてのマイクロ波およびデジタル部品を同期した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6.6 m 離れた超伝導量子プロセッサ間で、低温マイクロ波リンクがもつれを維持できるか？
• RQ2 リンク温度を1 K に上昇させた場合、もつれの分配がどの程度頑健に保たれるか？
• RQ3 もつれの忠実度の温度依存性が、超伝導マイクロ波系におけるフラクチュエーション・ドレイン理論の妥当性を裏付けるか？
• RQ4 モジュラーかつ低温マイクロ波リンクが、分散量子計算アーキテクチャのスケーラブルなバックボーンとして機能できるか？
• RQ5 超伝導送信線とHEMTアンプを用いた低温マイクロ波リンクの性能は、量子状態忠実度および雑音特性の観点でどの程度か？

主な発見

• システムは、中心部のベース温度が52 mK の6.6 m の低温マイクロ波リンクを介して二モードスリッピングもつれ状態の分配に成功した。
• リンク温度を1 K に上昇させてももつれが維持され、測定可能であることが確認され、熱的ゆらぎに対して頑健であることが示された。
• もつれ忠実度の観察された温度依存性は、フラクチュエーション・ドレイン理論の予測と一致し、この系への適用の妥当性が裏付けられた。
• プランクスペクトロスコピーによる光子数キャリブレーションにより、検出電圧を低温光子数に直接マッピング可能となり、正確な状態再構成が保証された。
• 四次モーメントまでを用いた基準状態再構成により、生成された状態のガウス性が確認され、高次積率がゼロに近いことからガウス近似が妥当であることが支持された。
• 全システムが10 MHzルビジウム周波数標準により同期され、すべてのマイクロ波およびデジタル部品で安定した動作が確保された。