[論文レビュー] Introduction to Experimental Quantum Measurement with Superconducting Qubits

Mahdi Naghiloo|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 96被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、実験的視点から超伝導キュービットにおける量子測定について教育的導入を提供し、連続的弱測定のダイナミクスに焦点を当てる。弱測定がオープン量子系における基本的量子ダイナミクスおよび熱力学を調べるのを可能にし、スケーラブルな量子回路におけるデ coherent と測定の反作用を研究するための多様なツールを提供することを示している。

ABSTRACT

Quantum technology has been rapidly growing due to its potential revolutionary applications. In particular, superconducting qubits provide a strong light-matter interaction as required for quantum computation and in principle can be scaled up to a high level of complexity. However, obtaining the full benefit of quantum mechanics in superconducting circuits requires a deep understanding of quantum physics in such systems in all aspects. One of the most crucial aspects is the concept of measurement and the dynamics of the quantum systems under the measurement process. This document is intended to be a pedagogical introduction to the concept of quantum measurement from an experimental perspective. We study the dynamics of a single superconducting qubit under continuous monitoring. We demonstrate that weak measurement is a versatile tool to investigate fundamental questions in quantum dynamics and quantum thermodynamics for open quantum systems.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットにおける量子測定について、包括的な実験的導入を提供すること。
• 連続的弱測定下における単一の超伝導キュービットのダイナミクスを調査すること。
• 弱測定が、オープン量子系における量子熱力学および系のダイナミクスを調べるためのツールとしてどのように機能するかを示すこと。
• 超伝導回路における量子測定の理論的概念と実験的実装を橋渡しすること。

提案手法

• リアルタイムで単一の超伝導キュービットをモニタリングするために、連続的弱測定プロトコルを用いる。
• 強い光・物質結合を実現するために、回路量子電磁力学（cQED）アーキテクチャを採用する。
• 確率的マスター方程式を用いて、測定の反作用および状態の崩壊ダイナミクスを分析する。
• 分散的キュービット読み出しと同調検出を用いた実験的手法により、連続的信号取得を実施する。
• キュービットを測定場と相互作用するオープン量子系としてモデル化し、デ coherent と情報の増加の両方の研究を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的弱測定は、超伝導キュービットの量子状態の時間発展にどのように影響するか？
• RQ2 連続的観測中、測定の反作用はキュービットのダイナミクスにおいてどのような役割を果たすか？
• RQ3 弱測定を用いることで、オープン量子系における量子熱力学をどのように調べることができるか？
• RQ4 超伝導回路からの実験的データに現れる量子測定の兆候は何か？

主な発見

• 弱測定により、超伝導キュービットの連続的モニタリングが可能となり、非マークフ・ィアンのダイナミクスおよび測定の反作用効果が明らかになった。
• システムは、量子マスター方程式の予測と整合的な測定可能な状態の崩壊と確率的軌道の進化を示した。
• 測定によって引き起こされる反作用が、キュービットのコher とエネルギー緩和率に影響することが観測された。
• 実験的セットアップは、弱測定を用いて量子系のダイナミクスに関する情報を抽出する可能性を成功裏に示した。