[論文レビュー] Protecting the quantum interference of cat states by phase-space compression

Xiaozhou Pan, Jonathan Schwinger+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、回路QEDにおける条件付き位相移動操作を用いて、猫状態の位相空間分布を圧縮することで、光子損失に対する量子干渉を決定論的に保護する手法を提案する。この技術は、高周波成分を原点に近づけることで、非ガウス的特徴の耐障害性を高め、量子コherentlyを維持する。実験的に、圧縮された猫状態は、デ coherent 損失制限条件下で65(±5)%のfidelityを達成した。

ABSTRACT

Cat states, with their unique phase-space interference properties, are ideal candidates for understanding fundamental principles of quantum mechanics and performing key quantum information processing tasks. However, they are highly susceptible to photon loss, which inevitably diminishes their quantum non-Gaussian features. Here, we protect these non-Gaussian features against photon loss by compressing the phase-space distribution of a cat state. We achieve this compression with a deterministic technique based on the echo conditional displacement operation in a circuit QED device. We present a versatile technique for creating robust non-Gaussian continuous-variable resource states in a highly linear bosonic mode and manipulating their phase-space distribution to achieve enhanced resilience against photon loss. Compressed cat states offer an attractive avenue for obtaining new insights into quantum foundations and quantum metrology, and for developing inherently more protected bosonic codewords for quantum error correction.

研究の動機と目的

• 猫状態が光子損失に対して脆弱であることに起因する、非ガウス的量子干渉特徴の劣化を是正すること。
• デ coherent に対して耐性のある連続変数量子状態を強化する決定論的でハードウェア効率の良い手法を開発すること。
• 特徴関数の分布を再形状することで、位相空間圧縮を用いた量子干渉の保護を示すこと。
• 条件付き位相移動操作を用いて、cQEDプラットフォーム上でこの技術を実験的に検証すること。
• 誤差予算を定量的に評価し、状態のfidelityを制限する主要なデ coherent チャネルを同定すること。

提案手法

• 位相空間圧縮は、cQEDアーキテクチャにおけるネイティブな単一キャビティおよびトランモンドゲートを用いた決定論的エコー条件付き位相移動操作によって実装される。
• この手法は、猫状態の特徴関数を操作し、干渉特徴の空間的広がりを小さくすることで、光子損失によるローパスフィルタリングの影響を低減する。
• シミュレーションでは、3回の$\hat{U}\hat{V}$操作を用いて、-3から-7 dBの圧縮レベルを達成し、fidelity >0.99を実現した。
• キャビティ減衰、デコherence、読み出し誤りを含むデ coherent モデル下で、理想状態との重なりを用いて状態準備fidelityを評価した。
• プロトコルは異なるハードウェアパラメータに適応可能であり、事後選別によりトランモンドT1減衰の影響を低減できる。
• マスター方程式シミュレーションを用いて、個々のデ coherent チャネルおよび読み出し不正確性の寄与を分離する誤差解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相空間圧縮は、スケーラブルかつ決定論的に、猫状態の非ガウス的干渉特徴を光子損失から保護できるか？
• RQ2 現実的なデ coherent 条件下で、位相空間分布の圧縮が量子干渉の耐性に与える影響は何か？
• RQ3 現実のノイズとゲート不正確性を伴うcQEDプラットフォームにおいて、圧縮された猫状態が達成可能なfidelityは何か？
• RQ4 状態準備および測定プロセスにおいて、誤差予算の主な寄与要因となるデ coherent チャネルは何か？
• RQ5 標準的なcQED設定において、ネイティブゲートのみを用いて条件付き位相移動操作を実装可能か、実用的実装を可能にするか？

主な発見

• 位相空間圧縮技術は、高周波成分を原点に近づけることで、光子損失に起因するフィルタリングの影響を低減し、量子干渉特徴の保護を効果的に実現する。
• シミュレーションでは、3回の$\hat{U}\hat{V}$操作を用いて、-3から-7 dBの圧縮レベルを達成し、fidelity >0.99を実現した。
• 実験的に、デ coherent 損失制限条件下で、圧縮された猫状態は65(±5)%のfidelityを達成し、誤差予算解析と整合的であった。
• 主な誤差要因はアシスタントデコherence（4%）、減衰（2%）、および読み出し誤り（|e⟩→|e⟩で5%）であり、これらが全体のfidelityを制限していた。
• 測定された真空状態のコントラストが約88.4%であり、これは$\hat{U}$ゲートの不正確性7%および読み出しの3.2%を反映しており、状態fidelity評価の基準としての正規化ベースラインを提供した。
• 測定時の事後選別により、トランモンドT1減衰の有効な影響が低減され、状態準備チェーンにおけるゲートfidelity推定値が約5%/操作に改善された。