[論文レビュー] Manipulating and probing Majorana fermions using superconducting circuits

J. Q. You, Z. D. Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、超伝導キュービットアレイを用いてマジョラナフェルミオンを実現・制御し、鎖の両端における未対のマジョラナモードを介してマジョラナキュービットを符号化することを提案する。4キュービットを用いたバーニングを示し、単一の超伝導キュービットよりも優れた量子コherー二ンを示し、トポロジカル量子計算のスケーラブルなプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Majorana fermions are long-sought exotic particles that are their own antiparticles. Here we propose to utilize superconducting circuits to construct two superconducting-qubit arrays where Majorana modes can occur. A so-called Majorana qubit is encoded by using the unpaired Majorana modes, which emerge at the left and right ends of the chain in the Majorana-fermion representation. We also show this Majorana qubit in the spin representation and its advantage, over a single superconducting qubit, regarding quantum coherence. Moreover, we propose to use four superconducting qubits as the smallest system to demonstrate the braiding of Majorana modes and show how the states before and after braiding Majoranas can be discriminated.

研究の動機と目的

• トポロジカル超伝導体の鎖を用いて、設計された超伝導キュービットアレイでマジョラナフェルミオンを実現すること。
• マジョラナフェルミオン表現における1次元鎖の両端に局在化した未対のマジョラナモードを用いてマジョラナキュービットを符号化すること。
• マジョラナキュービットのコherー二ン特性を、単一の超伝導キュービットのそれと比較し、量子コherー二ンにおける利点を強調すること。
• マジョラナモードの非アーベル的バーニングを実証するための最小限の4キュービット系を提案すること。
• マジョラナバーニング操作の前後における量子状態を区別するためのプロトコルを設計すること。

提案手法

• 1次元の超伝導キュービットアレイを構築し、マジョラナゼロモードを支持するトポロジカル超伝導体鎖を模擬する。
• 鎖の両端に局在化した未対のマジョラナモードの非アーベル的Anyonic統計を用いてマジョラナキュービットを符号化する。
• 実験的制御と測定を容易にするために、スピン表現におけるマジョラナキュービットを実装する。
• 制御された量子ゲートシーケンスを介してマジョラナモードのバーニング操作を実行できるように、4キュービットの回路レイアウトを設計する。
• 量子状態トモグラフィーと射影測定を用いて、バーニング後の初期状態と最終状態を区別する。
• マジョラナモードのトポロジカル保護を活用し、従来の超伝導キュービットと比較してコherー二ン時間を延長する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービットアレイは、マジョラナゼロモードを保持・制御できるように設計可能か？
• RQ2 マジョラナキュービットのコherー二ンは、従来の超伝導キュービットのそれと比べてどのように異なるか？
• RQ3 マジョラナモードの非アーベル的バーニングを実証するのに必要な最小限のキュービットアーキテクチャは何か？
• RQ4 バーニング前のトポロジカル状態とバーニング後の状態を実験的にどのように区別できるか？
• RQ5 安定したマジョラナ制御に必要な主要な回路設計と制御プロトコルは何か？

主な発見

• 提案された超伝導回路アーキテクチャは、1次元鎖の両端にマジョラナゼロモードの出現を支持する。
• スピン表現に符号化されたマジョラナキュービットは、単一の超伝導キュービットと比較して、より優れた量子コherー二ンを示す。
• 4キュービット系は、制御された方法でマジョラナモードのバーニングを実装・検証するのに十分である。
• 標準的な量子測定技術を用いて、バーニング後の初期状態と最終状態を区別するプロトコルが可能である。
• マジョラナキュービットアーキテクチャにおけるトポロジカル保護の活用は、フォールトトレランス型量子計算への有望な道筋を提供する。
• このフレームワークはスケーラブルであり、既存の超伝導量子計算プラットフォームと互換性がある。