[論文レビュー] Hybrid Qubit gates in circuit QED: A scheme for quantum bit encoding and information processing

M. C. de Oliveira|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、平面状トランスミッションラインの光子場モードに量子情報を符号化し、単一の超伝導電荷量子ビットと結合させた、回路QEDにおけるハイブリッド2量子ビットゲートを提案する。この方式は、場の減衰に対する耐性を活かして、量子情報の堅牢な保存を実現する一方で、外部からの古典的磁界パルスを用いて複数の固体状態量子ビットと場の量子ビットのエンタングルメントを生成可能であり、量子計算のスケーラブルで実験的に実現可能なアーキテクチャを提供する。

ABSTRACT

Institute for Quantum Information Science, University of Calgary, Alberta T2N 1N4, Canada(Dated: October 7, 2011)Solid state superconducting devices coupled to coplanar transmission lines offer an exquisite architecturefor quantum optical phenomena probing as well as for quantum computation implementation, being the objectof intense theoretical and experimental investigation lately. In appropriate conditions the transmission lineradiation modes can get strongly coupled to a superconducting device with only two levels -for that reason calledartificial atom or qubit. Employing this system we propose a hybrid two-quantum bit gate encoding involvingquantum electromagnetic field qubit states prepared in a coplanar transmission line capacitively coupled to asingle charge qubit. Since dissipative effects are more drastic in the solid state qubit than in the field one, itcan be employed for storage of information, whose efficiency against the action of an ohmic bath show that thisencoding can be readily implemented with present day technology. We extend the investigation to generateentanglement between several solid state qubits and the field qubit through the action of external classicalmagnetic pulses.

研究の動機と目的

• 回路QEDにおけるハイブリッド量子ビット符号化を用いたスケーラブルな量子計算アーキテクチャの開発を目的とする。
• 固体状態量子ビットのデ coherent 化の課題に、光子場モードの高い耐性を活用することで対処することを目的とする。
• 外部からの古典的磁界パルスを用いて、複数の超伝導量子ビットと場の量子ビットの間でエンタングルメントを生成することを目的とする。
• 提案された符号化方式が、現在の実験技術で実装可能であることを示すこと。

提案手法

• 平面状トランスミッションラインを用いて、量子電磁場の量子ビットを実現し、これを単一の超伝導電荷量子ビットと容量結合する。
• トランスミッションラインの放射モードと人工原子（量子ビット）との強い結合を用いて、コherent な量子操作を可能にする。
• 固体状態量子ビットと比較して、場の量子ビットがオーム損失に対して優れた耐性を示すことを活用し、情報の保存を強化する。
• 複数の固体状態量子ビットと場の量子ビットの間でエンタングルメントを生成するために、外部からの古典的磁界パルスを適用する。
• 場の量子ビットを堅牢な量子メモリとして機能させると同時に、電荷量子ビットがゲート操作を実行可能となるようにシステムを設計する。
• 超伝導デバイスとトランスミッションライン共振器を用いた回路QEDアーキテクチャに依存し、ハイブリッドゲートを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路QEDにおいて、光子場量子ビットと単一の電荷量子ビットを用いてハイブリッド2量子ビットゲートを実装できるか？
• RQ2 場の量子ビットがオーム損失に対して優れた耐性を示すことで、固体状態量子ビットと比較して量子情報の保存がどのように向上するか？
• RQ3 古典的磁界パルスを用いて、複数の固体状態量子ビットと場の量子ビットの間でエンタングルメントを生成できるか？
• RQ4 提案された符号化方式は、現在の実験技術で回路QEDにおいて実現可能か？
• RQ5 トランスミッションラインモードと人工原子との強い結合が、ゲート操作を可能にする役割を果たすメカニズムは何か？

主な発見

• トランスミッションライン内の光子場量子ビットは、オームバスタのデコherence に対して固体状態電荷量子ビットよりも優れた耐性を示し、量子情報の堅牢な保存が可能である。
• ハイブリッドゲート方式により、外部からの古典的磁界パルスを用いて、複数の固体状態量子ビットと場の量子ビットの間でエンタングルメントを生成できる。
• 提案された符号化手法は、既存の回路QED技術と互換性があり、現在の実験装置で容易に実装可能である。
• トランスミッションラインモードと人工原子との強い結合により、量子計算に不可欠なコherent な量子操作が可能となる。
• システム設計において、場の量子ビットの安定性を活用することで、全体のゲート精度と量子情報処理アーキテクチャのスケーラビリティが向上する。