[論文レビュー] On-Demand Directional Microwave Photon Emission Using Waveguide Quantum Electrodynamics

Bharath Kannan, Aziza Almanakly+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、双方向波ガイドに結合された超伝導人工分子を用いて、オンデマンドで高精度で方向性を持つマイクロ波光子を放出することを示している。2つの発光キュービット間の量子干渉を設計することで、単一光子が選択された方向にのみ伝搬するようにし、クロストークや損失が少ないスケーラブルで可逆的な量子インターフェースを実現する。

ABSTRACT

Routing quantum information between non-local computational nodes is a foundation for extensible networks of quantum processors. Quantum information transfer between arbitrary nodes is generally mediated either by photons that propagate between them, or by resonantly coupling nearby nodes. The utility is determined by the type of emitter, propagation channel, and receiver. Conventional approaches involving propagating microwave photons have limited fidelity due to photon loss and are often unidirectional, whereas architectures that use direct resonant coupling are bidirectional in principle, but can generally accommodate only a few local nodes. Here we demonstrate high-fidelity, on-demand, directional, microwave photon emission. We do this using an artificial molecule comprising two superconducting qubits strongly coupled to a bidirectional waveguide, effectively creating a chiral microwave waveguide. Quantum interference between the photon emission pathways from the molecule generates single photons that selectively propagate in a chosen direction. This circuit will also be capable of photon absorption, making it suitable for building interconnects within extensible quantum networks.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける非局所的な量子ノード間での効率的で方向性のある量子情報伝送の課題に取り組む。
• 光子損失による低精度を引き起こす非効率なサーキュレータを必要とする従来の単方向波ガイドの限界を克服する。
• 非可逆的部品を必要とせず、オンデマンドで方向性を持つ光子放出を可能にする、双方向波ガイドに基づくアーキテクチャを開発する。
• 量子干渉による方向制御と高精度な光子放出を組み合わせることで、高接続性でスケーラブルな量子ネットワークを実現する。
• 光子の放出と吸収の両方の機能を実現し、スケーラブルなネットワークにおける双方向インターフェースとしての適性を確保する。

提案手法

• 2つの強く結合されたキュービット（発光体）からなる超伝導人工分子を設計し、共通の双方向波ガイドに結合する。
• 分子からの2つの異なる発光経路間の量子干渉を活用し、片方は左方向、もう片方は右方向への伝搬を優先する「キラル光子放出」を生成する。
• 初期状態の重ね合わせ状態 |ψqb±⟩ = (|gg⟩ + |ψ±⟩)/√2 が、放出されるマイクロ波光子の進行方向を決定する4準位系を実装する。
• スーパーオペレーター形式のマスター方程式を用いて系をモデル化し、ハミルトニアン H = g_eff(σ⁻₃σ⁺₁ + σ⁺₃σ⁻₁) + g_eff(σ⁻₄σ⁺₂ + σ⁺₄σ⁻₂) を用いて、発光キュービットとデータキュービット間の有効結合を記述する。
• Liouvillianスーパーオペレーター形式を用いてマスター方程式を数値的に解き、密度行列の時間発展をシミュレートし、観測量を計算する。
• 入出力関係式を用いて、左進みおよび右進みの波ガイドモードにおける場の振幅を計算する：⟨a_L⟩ = √(γ/2)(⟨σ⁻₁⟩ + i⟨σ⁻₂⟩), ⟨a_R⟩ = √(γ/2)(⟨σ⁻₁⟩ - i⟨σ⁻₂⟩)。これにより、方向性発光の予測が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非可逆的部品を用いずに、双方向波ガイド内でオンデマンドで方向性を持つマイクロ波光子放出を達成できるか？
• RQ2 2つの発光キュービットの経路間の量子干渉が、超伝導回路におけるキラル光子放出をどのように実現するか？
• RQ3 発光キュービットの初期状態を重ね合わせ状態として設計した場合、光子放出の忠実度と方向性はどの程度か？
• RQ4 この系は方向性のある光子吸収もサポートできるか。これにより、双方向インターフェースの機能が可能になるか？
• RQ5 有効結合定数 g_eff/2π ≈ 1.28 MHz が、放出される光子波パッケージの時間的形状と方向性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 量子干渉を活用した超伝導人工分子を用いることで、高精度でオンデマンドの方向性を持つマイクロ波光子放出が達成された。
• 状態 |ψqb⁻⟩ に初期化された場合、光子の場の振幅は主に左進み（⟨a_L⟩ ≠ 0, ⟨a_R⟩ = 0）となり、|ψqb⁺⟩ では右進みの波パッケージが生成される。
• 放出される光子波パッケージの時間的形状は、解析解 ⟨a_L⟩ ∝ -g_eff√γ / Γ × e^(-γt/4) sinh(Γt/2) で予測される。ここで Γ = 2√((γ/4)² - g_eff²) である。
• 発光キュービットとデータキュービット間の有効結合定数は g_eff/2π ≈ 1.28 MHz として抽出され、光子放出エンVELOPEの実験的フィットと整合的である。
• この系は高い方向性を示す。理想モデルでは、|ψqb⁻⟩ 状態では右進みの振幅 ⟨a_R⟩ がゼロとなり、単一方向の放出が確認された。
• モデルは、この系が入射光子を方向性を持って吸収できることを予測しており、スケーラブルなネットワークにおける双方向量子インターフェースとしての適性を示している。