[論文レビュー] Josephson-Junction Qubits and the Readout Process by Single-Electron Transistors

Yuriy Makhlin, Gerd Schoen+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 1998

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、低容量のジョセフソン接合を用いたスケーラブルな構造を提案し、コープル対の電荷に量子状態を符号化する。量子状態は容量結合を介して単一電子トランジスタ（SET）によって読み取られ、特徴的な時間スケールを経て測定の精度が達成されるが、初期化およびゲート操作中にコherently保たれることが示された。

ABSTRACT

Several physical realizations of quantum bits have been proposed. Of those, nano-electronic devices appear most suitable for large-scale integration and potential applications. We suggest to use low-capacitance Josephson junctions, exploiting the coherence of tunneling in the superconducting state combined with the possibility to control individual charges by Coulomb blockade effects (cond-mat/9706016,cond-mat/9808067). These systems constitute quantum bits, with logical states differing by one Cooper-pair charge. Single- and two-bit operations can be performed by applying a sequence of gate voltages. The phase coherence time is sufficiently long to allow a series of these steps. In addition to the manipulation of qubits the resulting quantum state has to be read out. This can be accomplished by coupling a single-electron transistor capacitively to the qubit (cond-mat/9801125). To describe this quantum measurement process we study the time evolution of the density matrix of the coupled system. Only when a transport voltage is turned on, the transistor destroys the phase coherence of the qubit; in this case within a short time. The measurement is accomplished after a longer time scale, when the signal resolves the different quantum states. At still longer times the measurement process itself destroys the information about the initial state. We present a suitable set of system parameters, which can be realized by present-day technology.

研究の動機と目的

• ナノエレクトロニクス素子を用いたスケーラブルで統合可能な量子計算アーキテクチャの開発。
• 超伝導キュービットにおける量子状態を破壊せずに測定する課題への対処。
• 単一電子トランジスタ（SET）が高精度で破壊的でないキュービット状態の読み取りを可能にするシステムの設計。
• 既存のプロセス技術と互換性のある実験的に実現可能なパラメータの同定。
• 時間に依存する密度行列ダイナミクスを用いた、結合したキュービット-SET系における量子測定プロセスのモデル化。

提案手法

• 低容量のジョセフソン接合を用いて、論理状態が1つのコープル対の電荷の違いで表される電荷キュービットを実現。
• 正確にタイミングを合わせたゲート電圧パルスを用いて単一および2キュービット操作を実装。
• キュービットを単一電子トランジスタ（SET）に容量結合させ、電荷ベースの読み取りを可能にする。
• 測定中の時間発展をシミュレートするために、密度行列形式を用いて結合したキュービット-SET系をモデル化。
• 測定プロセスを3つの時間領域に分けて分析：初期のコherency維持、信号の解像、測定の反作用によるデコherence。
• 現在の技術で実現可能な最適なシステムパラメータ（たとえば、トンネル率、容量、ゲート電圧）を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジョセフソン接合に基づく電荷キュービットは、ゲート電圧パルスを用いてコherently操作可能か？
• RQ2 単一電子トランジスタ（SET）への結合が、超伝導キュービットの位相コherencyに与える影響は何か？
• RQ3 SETによるキュービット状態の成功した読み取りに必要な時間スケールは何か？ また、過度なデコherenceが生じる前に測定が可能か？
• RQ4 測定プロセス自体が、初期のキュービット状態に関する情報を破壊するタイミングはいつか？
• RQ5 どのデバイスパラメータが、長いコherency時間と信頼性の高い高精度の読み取りの両立を可能にするか？

主な発見

• キュービットは、ユニバーサルな量子論理を実行できる十分な位相コherency時間を維持する。
• 単一電子トランジスタ（SET）は、特徴的な時間スケールを経て、キュービットの量子状態を解像可能であり、成功した測定が可能となる。
• 測定に起因するデコherenceは、より長い時間に現れ、読み取り後の情報保持時間に制限をもたらす。
• コherency維持（初期段階）、信号の発展（測定）、デコherence（最終状態の喪失）の3段階に明確な時間的分離が観察された。
• 既存のナノプロセス技術で実現可能なパラメータ群（トンネル行列要素、容量、ゲート電圧など）が同定された。
• 密度行列解析により、測定の初期段階では測定が非侵襲的であることが確認され、読み取りの前までコherentlyな制御が可能であることが示された。