[論文レビュー] Prospects for Strong Cavity Quantum Electrodynamics with Superconducting Circuits

S. M. Girvin, Ren-Shou Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2003

Quantum Information and Cryptography参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、1次元伝送線路共振器を用いた超伝導回路アーキテクチャを提案し、キャビティ量子電磁力学（cQED）における強い結合状態を実現することで、高精度なキュービット制御、複数キュービットの量子非破壊（QND）測定、および数センチメートル規模の距離におけるチューナブルな2キュービットもつれを可能にする。主な結果は、真空ラビ分裂がデ coherent レートを上回ることであり、これにより耐障害性の高い量子操作が可能となり、スケーラブルな量子計算への可能性が開かれる。

ABSTRACT

We propose a realizable architecture using one-dimensional transmission line resonators to reach the strong coupling limit of cavity quantum electrodynamics in superconducting electrical circuits. The vacuum Rabi frequency for the coupling of cavity photons to quantized excitations of an adjacent electrical circuit (qubit) can easily exceed the damping rates of both the cavity and the qubit. This architecture is attractive for quantum computing and control, since it provides strong inhibition of spontaneous emission, potentially leading to greatly enhanced qubit lifetimes, allows high-fidelity quantum non-demolition measurements of the state of multiple qubits, and has a natural mechanism for entanglement of qubits separated by centimeter distances. In addition it would allow production of microwave photon states of fundamental importance for quantum communication.

研究の動機と目的

• 超伝導回路を用いてキャビティ量子電磁力学（cQED）における強い結合状態を実現すること。
• 1回の測定で複数キュービットの高精度な量子非破壊（QND）測定を可能にすること。
• 共振器内での仮想光子交換を介して、チューナブルで長距離のキュービットもつれを実現すること。
• 高品質因子キャビティへの強い結合により、自発的放出を抑制し、キュービットのコher- ンスを向上させること。
• 量子通信に有用なマイクロ波光子状態の生成と検出を可能にすること。

提案手法

• 1次元（1D）伝送線路共振器を用いて、有効体積を小さくすることでゼロ点エネルギーを閉じ込め、真空ラビ結合強度を増強する。
• 大電気双極子モーメントを有する人工原子としてのコープァー対ボックスを実装し、共振器の中心導体に容量結合する。
• 真空ラビ周波数 $ g $ がキャビティ減衰率 $ \kappa $ およびキュービット減衰率 $ \gamma $ を上回ることで強い結合を達成する。
• キュービットをキャビティ共鳴周波数からシフトさせることで分散結合を実現し、キャビティ透過特性の変化を測定することでQND測定を可能にする。
• キュービットが互いに共鳴しているがキャビティからシフトしている状態で、仮想光子交換を介して2キュービットゲートを実装し、有効ハミルトニアン $ H_2 \propto (g^2/\Delta)(\sigma_i^+\sigma_j^- + \sigma_i^-\sigma_j^+) $ に従う。
• 異なるキュービット状態に対して、キャビティのプル値 $ \pm g_1^2/\Delta_1 \pm g_2^2/\Delta_2 $ を設計することで、1回の測定で複数キュービットの測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元伝送線路共振器を用いた超伝導回路は、cQEDにおける強い結合状態を達成できるか？
• RQ2 強い結合は自発的放出を抑制し、キュービットのコヒーレンス時間の延長を可能にするか？
• RQ3 複数キュービットに対して高精度で1回の測定で量子非破壊（QND）測定が可能になるか？
• RQ4 キャビティ内での仮想光子交換を介して、チューナブルで長距離のキュービットもつれを実現できるか？
• RQ5 このアーキテクチャは、量子通信に有用なマイクロ波光子状態の生成と検出が可能になるか？

主な発見

• 真空ラビ周波数 $ g $ は、キャビティ減衰率 $ \kappa $ およびキュービット減衰率 $ \gamma $ を上回り、強い結合条件 $ g \gg \kappa, \gamma $ を満たす。
• キャビティモードへの自発的放出の強い抑制により、キュービットの寿命が顕著に延長される。
• 集団的なキュービット状態に応じたキャビティ周波数の異なるシフトを測定することで、1回の測定で複数キュービットの高精度な量子非破壊（QND）測定が可能である。
• 仮想光子交換を介してチューナブルな2キュービットもつれが実現され、$ \sqrt{i\text{SWAP}} $ 操作のゲート時間は約 $ 50\,\text{ns} $ である。
• キャビティの減衰時間あたりの操作数は $ N_{\text{op}} \sim 1200 $ と推定され、高いコヒーレンス性とゲート精度の可能性を示している。
• 本システムは単一光子検出および光源機能を備えており、単一光子の放出または吸収がキャビティ透過特性に顕著で測定可能な変化を引き起こす。