[論文レビュー] Quantum Acoustics: Propagating phonons coupled to a superconducting qubit

M. Gustafsson, Thomas Aref+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、量子化された機械的振動（フォノン）が、超伝導キュービットと強く結合することで、光子量子光学に類似したフォノンベースの量子情報伝送を可能にする、伝搬する量子情報のキャリアとして機能することを示している。主な結果は、フォノンの遅い速度と強い結合のおかげで、従来はアクセスが困難だった量子状態に到達可能なシステムの実現である。

ABSTRACT

Atoms, ions, and superconducting qubits are all examples of quantum objects, capable of producing and processing individual quanta of light, known as photons. Mechanical movement can be quantized in the same way as light, into particles of vibration known as phonons. Recent experiments have shown that quantum information generated in qubits can be converted to vibrations in mechanical resonators, which resemble miniature drum skins or piano strings. Such resonators restrict motion to their discrete and stationary modes, and thus serve as \emph{local storage units} for phonons. Here, we demonstrate the use of phonons as \emph{propagating carriers} of quantum information, by coupling them strongly to a superconducting qubit. The phonons thus serve the same role as itinerant photons have in the field of quantum optics. Due to the low speed of sound and a potential for very strong coupling, the use of propagating phonons as quantum carriers allows regimes to be explored which are difficult or impossible to reach with photons.

研究の動機と目的

• フォノンを局所的記憶ではなく、移動可能な伝搬キャリアとしての量子情報の搬送に用いることの可能性を探ること。
• 音の速度の遅さと機械的共振器における強い結合を活用することで、フォトニック系の限界を克服すること。
• 超伝導キュービットと伝搬するフォノンの間の量子インターフェースを確立し、フォトニック量子光学における光子の役割を模倣すること。
• 従来のフォトニック系では困難または不可能なアクセスが可能な新しい量子状態に到達すること。

提案手法

• 離散的な振動モードを支持する機械的共振器に強く結合された超伝導キュービットを用いた。
• 量子情報をキュービットから共振器内の伝搬フォノンへとコherentに転送できるように結合を設計した。
• 音の位相速度の低さを活かして相互作用強度を増強し、強い結合状態を実現した。
• フォノンが共振器を通過して伝搬可能となるようにシステムを設計し、移動可能な量子キャリアとしての機能を果たさせた。
• 高いコherentlyを実現するため、回路量子電磁力学（cQED）アーキテクチャを用いてキュービット-フォノン相互作用を媒介した。
• キュービットからフォノン場への量子状態のコherentな転送を実証し、フォノンベースの量子状態輸送を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノンは、量子光学における光子と類似した方法で、伝搬する量子情報キャリアとして用いることができるか？
• RQ2 特に結合強度と伝搬速度の観点から、フォノンをフォトニック系よりも量子情報伝送に用いる利点は何か？
• RQ3 超伝導キュービットと伝搬フォノンとの間で強い結合を達成でき、コherentな量子状態転送を可能にするか？
• RQ4 フォノンを量子キャリアとして用いることで、どのような新しい量子状態がアクセス可能になるか？

主な発見

• フォノンは超伝導キュービットと成功裏に結合され、量子情報の伝搬キャリアとして実証された。
• 音の速度の遅さと高い機械的Qファクターのおかげで、キュービットとフォノンの間で強い結合が達成された。
• キュービットからフォノン場への量子状態転送が観測され、フォノンベースの量子状態輸送の実現可能性が確認された。
• フォノンを用いることで、従来のフォトニック系では困難または不可能な量子状態にアクセスできるようになった。