[論文レビュー] On-Chip Microwave Fock States and Quantum Homodyne Measurements

M. Mariantoni, M. J. Storcz+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2005

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、フラックスベースの超伝導キュービットをレーザンに似た遷移スキームでレゾネータに結合させることにより、マイクロ波フォック状態をオンチップで決定論的に生成する手法を提案する。また、ハイブリッドリングジャンクションをビームスプリッタとして用いたマイクロ波量子ホモダイン測定（MQHM）技術を導入し、ノイズの多い増幅器が存在する中でも電場の四分位量を正確に測定可能であり、超伝導回路における量子状態トモグラフィーに不可欠である。

ABSTRACT

We propose a method to couple metastable flux-based qubits to superconductive resonators based on a quantum-optical Raman excitation scheme that allows for the deterministic generation of stationary and propagating microwave Fock states and other weak quantum fields. Moreover, we introduce a suitable microwave quantum homodyne technique, with no optical counterpart, that enables the measurement of relevant field observables, even in the presence of noisy amplification devices.

研究の動機と目的

• オンチップ超伝導回路において、マイクロ波フォック状態および重ね合わせ状態を決定論的に生成すること。
• 直接的なマイクロ波光検出器の欠如を補うために、微弱な量子場に対して頑健な測定スキームを開発すること。
• 位相不変増幅器とスクエア法則検出器を用いて、マイクロ波帯域に特化した量子ホモダイン検出を実装すること。
• 増幅器のノイズが存在する状況下でも、電場四分位量のモーメントを含む量子場の観測量を完全に特徴付けられること。
• 超伝導デバイスを用いたマイクロ波領域におけるオンチップ量子情報転送および量子光物理学の基盤を築くこと。

提案手法

• Λ型配置の3準位フラックスキュービットを、レーザンに似た遷移スキームにより超伝導マイクロ波レゾネータに結合させ、状態の共鳴的転送とフォック状態の生成を実現する。
• ハイブリッドリングジャンクションがオンチップマイクロ波ビームスプリッタ（MBS）として機能し、信号を2つの経路に分岐させ、可変な位相を制御可能にすることでホモダイン検出を可能にする。
• 信号は位相不変線形増幅器で増幅され、その後スクエア法則検出器が強度を測定する。出力電流の差が、電場四分位量観測量に比例する。
• 局所発振器（LO）を既知の振幅と位相で用い、信号と混合させることで、四分位量成分 $\hat{X}_{\theta_r}$ の測定が可能になる。観測量 $\langle \hat{\tilde{a}}^\dagger_2 \hat{\tilde{a}}_2 - \hat{\tilde{a}}^\dagger_4 \hat{\tilde{a}}_4 \rangle \propto 2|\alpha_{\rm LO}|\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ を介して実現される。
• 2次モーメント $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$ は、同じLOを用いた2つのミキサー出力の相関を測定することで測定可能であり、ノイズが相関のない前提のもとでウィグナー関数の再構成が可能になる。
• 2つの経路における増幅器ノイズの相関が無視できるものと仮定し、既知のLO寄与を補正するキャリブレーションを実施することで、信号モーメントの正確な測定が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザンに似た結合スキームを用いて、超伝導オンチップ回路でマイクロ波フォック状態を決定論的に生成できるか？
• RQ2 直接的な光検出器が存在しないマイクロ波帯域において、量子ホモダイン検出をどのように実装できるか？
• RQ3 ノイズの多い増幅を伴う状況下でも、場の四分位量モーメント $\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ と $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$ を正確に測定できるか？
• RQ4 この測定スキームを用いて、マイクロ波量子状態のウィグナー関数を再構成できるか？
• RQ5 四分位量測定を用いて、フォック状態と $|0\rangle + |1\rangle$ のような重ね合わせ状態を区別できるか？

主な発見

• レーザンに似た結合スキームにより、フラックスキュービットをΛ型配置に配置した超伝導レゾネータ内でマイクロ波フォック状態の決定論的生成が可能になった。
• $|e\rangle$ と $|h\rangle$ 状態間の反クロッシング点における真空ラビ周波数は56 MHzに達し、状態準備に向けた強い結合を実現した。
• MQHMスキームにより、$\langle \hat{\tilde{a}}^\dagger_2 \hat{\tilde{a}}_2 - \hat{\tilde{a}}^\dagger_4 \hat{\tilde{a}}_4 \rangle \propto 2|\alpha_{\rm LO}|\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ によって示されるように、ノイズの影響が最小限に抑えられた $\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ の測定が可能になった。
• 2次モーメント $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$ は、2つのミキサー出力の相関により測定可能であり、$\langle \hat{X}_{\tilde{a}_2,\theta_r} \hat{X}_{\tilde{a}_4,\theta_r} \rangle = -\frac{1}{2}\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle + \frac{1}{2}\langle \hat{X}^2_{\rm LO,\theta_r} \rangle$ を満たすため、ウィグナー関数の再構成が可能になった。
• 本手法により、ガウス状態の完全な特徴付けと、フォック状態と重ね合わせ状態の区別が可能となり、適切な条件下ではすべての $\langle \hat{X}^p_{\theta_r} \rangle$（$p \in \mathbb{N}$）の測定が可能になる。