[論文レビュー] Polar molecules near superconducting resonators: a coherent, all-electrical, molecule-mesoscopic interface

A. André, David DeMille+6 more|ArXiv.org|May 23, 2006

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、単一の極性分子と超伝導ストライプラインマイクロ波共振器を効率的に結合するスケーラブルで、完全に電気的な量子インターフェースを提案している。このインターフェースにより、静電的トラップと共振器強化による操作を介して、ロバストな量子制御が可能となる。系は、仮想光子交換を通じて強い結合、高精度の状態読み出し、長距離エンタングルメントを達成しており、長寿命の分子量子ビットを用いたスケーラブルな量子情報処理アーキテクチャを実証している。

ABSTRACT

The challenge of building a scalable quantum processor requires consolidation of the conflicting requirements of achieving coherent control and preservation of quantum coherence in a large scale quantum system. Moreover, the system should be compatible with miniaturization and integration of quantum circuits. Mesoscopic solid state systems such as superconducting islands and quantum dots feature robust control techniques using local electrical signals and self-evident scaling based on advances in fabrication; however, in general the quantum states of solid state devices tend to decohere rapidly. In contrast, quantum optical systems based on trapped ions and neutral atoms exhibit dramatically better coherence properties, while miniaturization of atomic and molecular systems, and their integration with mesoscopic electrical circuits, remains an important challenge. Below we describe methods for the integration of a single particle system -- an isolated polar molecule -- with mesoscopic solid state devices in a way that produces robust, coherent, quantum-level control. The methods described include the trapping, cooling, detection, coherent manipulation and quantum coupling of isolated polar molecules at sub-micron dimensions near cryogenic stripline microwave resonators. We show that electrostatically trapped polar molecules can exhibit strong confinement and fast, purely electrical gate control. Furthermore, the effect of electrical noise sources, a key issue in quantum information processing, can be suppressed to very low levels via appropriate preparation and manipulation of the polar molecules. Our setup provides a scalable cavity QED-type quantum computer architecture, where entanglement of distant qubits stored in long-lived rotational molecular states is achieved via exchange of microwave photons.

研究の動機と目的

• 個々の極性分子と中規模の超伝導回路との間で、スケーラブルで完全に電気的なインターフェースを開発すること。
• 分子系の長いコherencesと超伝導回路の電気的制御および統合可能性を組み合わせることで、コherenceとスケーラビリティのトレードオフを克服すること。
• 分子量子ビットとマイクロ波共振器との間で強い、共鳴状態の結合を実現し、高精度な量子操作を達成すること。
• 分散的シフトを介したレゾネータ強化型サイドバンド冷却と非破壊的状態読み出しを実証すること。
• 高品質因子レゾネータを介した仮想光子交換により、空間的に分離された分子量子ビット間の長距離エンタングルメントを可能にすること。

提案手法

• L字型電極とDC電圧バイアスを用いた静電的Zトラップ（EZトラップ）を用いた極性分子の静電的トラップ。低電場探索状態のための電場最小値を形成する。
• EZトラップを超伝導ストライプラインマイクロ波レゾネータに統合。レゾネータのグラウンドプレーンをバイアスすることで、必要な電場勾配を提供する。
• サイドバンド冷却のためのレゾネータ強化型自発的放射を用い、駆動周波数を分子遷移のレッドサイドバンドに合わせることで、分子運動の冷却を実現する。
• qubit状態依存の周波数シフトを介した分散的読み出しを実装。シフトδω = ±g²/Δrにより、非破壊的測定が可能となる。
• 高品質因子レゾネータを介した仮想光子交換を用い、遠く離れた分子量子ビット間の有効な電気双極子-双極子相互作用を媒介する。ハミルトニアンはH_int = (g²/Δ)(σ₁⁺σ₂⁻ + σ₁⁻σ₂⁺)で記述される。
• アンチノードに複数のEZトラップをレゾネータに沿って配置し、レゾネータモードを介した容量結合により、スケーラブルなマルチ量子ビット操作を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極性分子を超伝導マイクロ波レゾネータに共鳴状態で結合させることで、高精度な量子操作が可能になるか？
• RQ2 レゾネータからサブミクロンの距離に位置する極性分子の静電的トラップが、強い共鳴状態結合と安定な量子ビット制御を実現できるか？
• RQ3 レゾネータ強化型サイドバンド冷却が、分子運動を量子基底状態に効率的に冷却できるか？
• RQ4 レゾネータ内の分散的シフトが、高精度で非破壊的な分子量子ビット状態の測定を可能にするか？
• RQ5 レゾネータを介した仮想光子交換が、空間的に分離された分子量子ビット間のエンタングルメントを媒介できるか？

主な発見

• 低電場探索状態のための最大トラップ深さはU_max ≈ 0.6ħBであり、E_DC^max ∼ 6ħB/μで達成可能で、強い閉じ込めが可能である。
• 量子ビット状態|1⟩と|2⟩のエネルギー差はω₀ = 4Bに10%以内で一致し、外部磁場に依存する混合が生じるが、適切な条件下では量子ビットのコherenceが維持される。
• レゾネータ強化型サイドバンド冷却により、レッドサイドバンド駆動を用いて分子運動が量子基底状態に効率的に冷却される。
• qubit状態依存の周波数シフトを介した分散的読み出しにより、非破壊的測定が可能となり、κとΔrに制限される精度で実現される。δω < κの条件下で位相シフトが検出可能である。
• g²/Δr > κの条件下では、キャビティ周波数シフトが線幅を超えるため、プローブ透過または反射を用いた高精度な状態識別が可能となる。
• レゾネータを介した容量結合により、仮想光子交換を介した有効な長距離エンタングルメントが、遠く離れた量子ビット間で実現され、g²/Δの相互作用強度によりスケーラブルな量子ゲート操作が可能となる。