[論文レビュー] Detecting itinerant microwave photons with engineered non-linear dissipation

Raphaël Lescanne, S. Deléglise+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 41被引用数 14

ひとこと要約

本論文では、エンジニアリングされた非線形消費を用いた新しいマイクロ波光子検出器を提案する。トランスモンキュービットがポンプ駆動の三波混合過程を介して移動する光子を検出することで、光子エネルギーをキュービットに不可逆的に転送する。この手法により、58%の検出効率と記録的な低レベルのダークカウントレート（1.4カウント/ms）を達成し、光子の到着時刻や波形に関する事前知識がなくても、高精度で低ノイズな検出が可能になる。

ABSTRACT

Single photon detection is a key resource for sensing at the quantum limit and the enabling technology for measurement based quantum computing. Photon detection at optical frequencies relies on irreversible photo-assisted ionization of various natural materials. However, microwave photons have energies 5 orders of magnitude lower than optical photons, and are therefore ineffective at triggering measurable phenomena at macroscopic scales. Here, we report the observation of a new type of interaction between a single two level system (qubit) and a microwave resonator. These two quantum systems do not interact coherently, instead, they share a common dissipative mechanism to a cold bath: the qubit irreversibly switches to its excited state if and only if a photon enters the resonator. We have used this highly correlated dissipation mechanism to detect itinerant photons impinging on the resonator. This scheme does not require any prior knowledge of the photon waveform nor its arrival time, and dominant decoherence mechanisms do not trigger spurious detection events (dark counts). We demonstrate a detection efficiency of 58% and a record low dark count rate of 1.4 per ms. This work establishes engineered non-linear dissipation as a key-enabling resource for a new class of low-noise non-linear microwave detectors.

研究の動機と目的

• 超伝導量子回路における移動するマイクロ波光子の低ノイズで高効率な検出器の開発を目的とする。
• マクロな効果を引き起こすのに十分なエネルギーを持たない低エネルギーのマイクロ波光子を検出する課題を克服することを目的とする。
• 光子の波形や到着時刻に関する事前知識が不要な検出メカニズムを実装することを目的とする。
• 逆過程を防ぐ相関した消費的メカニズムを活用することでダークカウントを最小限に抑えること。
• 量子情報処理や量子センシングの応用に適したスケーラブルで連続動作可能な検出器を実証すること。

提案手法

• 検出器は、入射光子用のバッファモードと、不可逆的な光子消費のためのワステモードに結合されたトランスモンキュービットを用いる。
• ヨージェンソンジャンクションにポンプトーンを印加することで、共鳴的に三波混合過程を駆動し、バッファモードの光子をキュービット励起状態とワステモードの光子に変換する。
• ワステモードの光子は伝送ラインに強く結合され放射され、逆過程を防ぎ、一方向性の検出を保証する。
• キュービット状態は分散的読み出しにより測定され、光子が吸収されたかどうかを判断する。測定は光子が吸収された後に実施される。
• ワステモードにコherentトーンを印加することで、キュービットの高速リセットが可能となり、高いデューティーサイクルでの連続動作が可能になる。
• 位相保存アンプリファイアとモーメント再構成を用いて、放出された場の量子状態トモグラフィーを実施し、検出信号の量子的性質を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンジニアリングされた非線形消費は、光子の時間的プロファイルや到着時刻に関する事前知識がなくても、高効率で低ダークカウントの移動マイクロ波光子検出を可能にするか？
• RQ2 二準位系をどのようにマイクロ波キャビティに結合すれば、光子吸収が不可逆的になり、キュービット励起によって検出が予告されるようになるか？
• RQ3 共通の消費的チャネルを介して検出過程が媒介される系において、達成可能な検出効率とダークカウントレートは何か？
• RQ4 高速リセットを可能にする連続動作モードでの運用は、どの程度のデューティーサイクルを実現できるか？
• RQ5 アンプノイズが存在する中でも、放出場の量子状態トモグラフィーは、1光子の存在を高い忠実度で確認できるか？

主な発見

• 検出器は58%の検出効率を達成し、単一マイクロ波光子に対して高い感度を示した。
• ダークカウントレートは1.4カウント/msと測定され、マイクロ波光子検出器としては記録的な低水準であった。
• 主なノイズ源が誤検出を引き起こさないため、デコherenceに対して頑健な検出メカニズムを有する。
• 量子状態トモグラフィーにより、アンプノイズが存在する中でも、Fock状態と整合的な忠実度で1光子の放出が確認された。
• ワステモードのcoherent駆動により高速リセットが実現され、高いデューティーサイクルでの連続動作が可能となった。
• 測定された場の状態分布には、キュービットが励起状態にある場合に明確な過剰ノイズが観察され、光子検出と状態転送の確認がされた。