[論文レビュー] Partial Measurements of Quantum Systems

Jonathan Monroe|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超伝導量子コンピューティング実験における正確なパルスシーケンス生成のためのオブジェクト指向プログラミングフレームワークを提示する。Pulseクラスはマイクロ波駆動パrameterを管理し、Sequenceクラスは時間順序に整列したパルスのシーケンスを構造化する。このアプローチにより、単一サイドバンド変調（SSM）を用いたキュービットのコherent制御が可能となり、Rabiやラムゼイ分光法といった実験ワークフローをモジュラーで再利用可能なコードでサポートする。

ABSTRACT

Projective measurement is a commonly used assumption in quantum mechanics. However, advances in quantum measurement techniques allow for partial measurements, which accurately estimate state information while keeping the wavefunction intact. In this dissertation, we employ partial measurements to study two phenomena. First, we investigate an uncertainty relation -- in the style of Heisenberg's 1929 thought experiment -- which includes partial measurements in addition to projective measurements. We find that a weak partial measurement can decrease the uncertainty between two incompatible (non-commuting) observables. In the second study, we investigate the foundation of irreversible dynamics resulting from partial measurements. We do so by comparing the forward and time-reversed probabilities of measurement outcomes resulting from post-selected feedback protocols with both causal and reversed-causal order. We find that the statistics of partial measurements produce entropy in accordance with generalized second laws of thermodynamics. We perform these experiments using superconducting qubits. This dissertation also describes the fabrication process for these devices and details a novel fabrication technique that allows fast, single-step lithography of Josephson-junction superconducting circuits. The technique simplifies processing by utilizing a direct-write photolithography system, in contrast to traditional electron-beam lithography. Despite their large lithographic area, Josephson junctions made with this method have low critical currents and high coherence times.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける複雑なマイクロ波パルスシーケンス生成のための構造的で再利用可能なソフトウェアフレームワークの開発。
• 位相と周波数の一貫性を保証するパrameter化されたパルスオブジェクトによるキュービットおよびキャビティ駆動の正確な制御。
• Rabiやラムゼイ分光法といった実験ワークフローを、時間順序行列に整理することでサポート。
• パルス生成ロジックをハードウェア制御から分離し、パラメータとシーケンス構成を抽象化することで、パルス生成とハードウェア制御の分離。
• 全パルスの位相基準を共通の時間原点に固定することで、複数パルスシーケンスにおける位相コherー二ンスの維持。

提案手法

• Pulseクラスは、持続時間、開始時刻、振幅、SSM周波数、位相といった主要パrameterをカプセル化し、オプションパラメータにはデフォルト値を設定。
• パルスは、ローカルオシレータ（LO）周波数をシフトしキャリア漏れを回避するための単一サイドバンド変調（SSM）を用いて生成され、RF出力は次式で与えられる：$\mathrm{RF}(t) = \cos(\omega_{\rm LO}t)\cdot\mathrm{I}(t) + \sin(\omega_{\rm LO}t)\cdot\mathrm{Q}(t)$。
• Sequenceクラスは、パルスをシーケンスマトリクスに整理し、各ステップが時間点（1 GS/s解像度で1 ns）に対応する。また、持続時間などの変動可能なスイープタイプをサポート。
• add_sweep()メソッドは、スイープパラメータに基づいて各ステップに変更されたパルスを挿入し、パルス持続時間や振幅の系統的な変更を可能にする。
• パルス振幅は、シーケンスマトリクス内のfloat配列として格納され、チャンネルとマーカー出力は、4つのチャンネルと4つのマーカーを含むchannel_list構造で管理される。
• 全位相を初期時刻（t=0）に基準化することで位相一貫性が維持され、多段パルスシーケンスにおけるコherent制御が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オブジェクト指向アプローチは、量子制御実験におけるパルスシーケンス生成のモジュラリティと保守性をどのように向上させるか？
• RQ2 マイクロ波パルスの位相および周波数制御を効果的に符号化する方法は何か？これにより、複数パルス操作におけるキュービットコherenceが保証されるか？
• RQ3 パルス持続時間や振幅を系統的にスイープしながら、時間精度とハードウェア互換性を維持するにはどうすればよいか？
• RQ4 Rabi分光法やラムゼイ分光法といった異なる実験で再利用可能なパルス定義を効率的に行うためのソフトウェア抽象化は何か？
• RQ5 任意波形発生器（AWG）のメモリ制限（例：2のべき乗点の間隔）を、シーケンス生成パイプラインにネイティブに統合する方法は何か？

主な発見

• Pulseクラスは、SSM周波数や位相を含むマイクロ波パルスのすべての主要パラメータをカプセル化し、一貫性があり再利用可能なパルス定義を可能にする。
• Sequenceクラスは、add_sweep()メソッドを介して、パルス持続時間などの可変スイープパラメータを用いた、システム的なパルスシーケンス生成を可能にする。
• 全位相を初期時刻（t=0）に基準化することで、複数パルス間の位相コherー二ンスが維持され、ラムゼイ干渉計のような実験において極めて重要である。
• フレームワークは、1 GS/sのサンプリングと2のべき乗のシーケンス長といったハードウェア制約をサポートし、AWGメモリ構造と互換性を持つ。
• 4つのチャンネルと4つのマーカーを管理するchannel_listの使用により、I/Qおよびトリガ出力の柔軟な設定が可能となり、共有チャンネルでは重複するマーカーエントリが無視される。
• PulseクラスのtoString()およびmake()メソッドは、デバッグおよびデータエクスポートに有用であり、copy()メソッドによりパルスインスタンスの安全な操作が可能になる。