[論文レビュー] Quantum entanglement between optical and microwave photonic qubits

Srujan Meesala, David P. Lake+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、超伝導共振器と統合された圧電光力学的変換器を用いて、チップスケールのもつれ光学・マイクロ波光子状態を生成することを示している。変換器内でスピンパラメトリックダウンコンバージョンを駆動し、二重レール時間ビン符号化を採用することで、ベル状態の下限Fidelityは0.794に達し、古典的限界をはるかに上回り、超伝導プロセッサと光通信チャネルの間でスケーラブルな量子ネットワーク相互接続を実現可能にする。

ABSTRACT

Entanglement is an extraordinary feature of quantum mechanics. Sources of entangled optical photons were essential to test the foundations of quantum physics through violations of Bell's inequalities. More recently, entangled many-body states have been realized via strong non-linear interactions in microwave circuits with superconducting qubits. Here we demonstrate a chip-scale source of entangled optical and microwave photonic qubits. Our device platform integrates a piezo-optomechanical transducer with a superconducting resonator which is robust under optical illumination. We drive a photon-pair generation process and employ a dual-rail encoding intrinsic to our system to prepare entangled states of microwave and optical photons. We place a lower bound on the fidelity of the entangled state by measuring microwave and optical photons in two orthogonal bases. This entanglement source can directly interface telecom wavelength time-bin qubits and GHz frequency superconducting qubits, two well-established platforms for quantum communication and computation, respectively.

研究の動機と目的

• 単一チップ上でのマイクロ波-光学光子状態のもつれを生成することで、超伝導量子プロセッサと光量子ネットワークとの間でスケーラブルな相互接続を実現すること。
• 弱い非線形性、光学吸収、統合損失といったマイクロ波-光学もつれ生成の課題を克服すること。
• マイクロ波および光学状態の両方の二重レール符号化を用いた損失に強い離散変数もつれプロトコルを実装すること。
• 複数の基底における同時測定を用いてもつれFidelityを検証し、検出および収集損失に対して頑健であることを保証すること。
• 将来の量子情報処理のため、マイクロ波光子状態を直接超伝導量子ビットにマッピング可能にする。

提案手法

• 圧電光力学的変換器を超伝導キネティックインダクタンス共振器に統合し、機械的フォノンを介してマイクロ波モードと光学モードの強い結合を実現する。
• 変換器内でスピンパラメトリックダウンコンバージョン（SPDC）を駆動し、相関するマイクロ波および光学光子対を生成する。
• 二重レール符号化を採用：光学状態は時間ビン符号化（早期/遅延時間ビン）を、マイクロ波状態は混合音響-電気共振による直交モード（+および−とラベル付け）を用いる。
• 光学チャネルにおける単一光子イベントの事後選別を実施し、計算サブスペースを分離し、ノイズ寄与を低減する。
• 条件付きマイクロ波ヘテロダイン電圧を用いた最大尤度状態トモグラフィーにより、密度行列を再構成し、Fidelity指標を抽出する。
• Z基底およびX基底における条件付き確率に基づくFidelity下限式を適用：$ F_{\text{lb}} = \frac{1}{2}(p_{\text{ee}}+p_{\text{ll}}-p_{\text{el}}-p_{\text{le}} + p_{{++}}+p_{{--}}-2\sqrt{p_{{+-}}p_{{-+}}}) $。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧電光力学的変換器を用いたチップスケールデバイスが、高いFidelityでもつれたマイクロ波および光学光子状態を生成できるか？
• RQ2 実用的量子ネットワークに求められるように、光学およびマイクロ波の検出損失に対してもつれFidelityが頑健であるか？
• RQ3 マイクロ波および光学領域の両方で二重レール符号化が、実験的ノイズおよび有限の変換効率下でももつれを保持できるか？
• RQ4 ポンプによる熱雑音が、このようなシステムにおける到達可能なベル状態Fidelityをどの程度制限するか？
• RQ5 生成されたマイクロ波光子状態が、将来の量子情報処理のため、超伝導量子ビットにコherentにマッピング可能か？

主な発見

• 実験では、ベル状態Fidelityの下限として$ F_{\text{lb}} = 0.794^{+0.048}_{-0.071} $を達成し、古典的限界の0.5を4標準偏差以上上回った。
• ポンプ由来の熱雑音を考慮した理論モデルと一致し、Fidelityが0.83以上であると予測された。
• 条件付きマイクロ波状態トモグラフィーにより、Z基底およびX基底の両方で強い相関が確認され、計算サブスペースの要素はベル状態の期待値と一致した。
• 事後選別および二重レール符号化のおかげで、非計算サブスペースからの寄与が抑制され、Fidelityは損失に対して頑健であった。
• マイクロ波から光子への変換効率は$ \eta_{\text{mw}} = 0.59 $と測定され、主なFidelity劣化要因は有限の変換効率に起因する真空成分であった。
• システムは、トランスモンやクアトゥルプスなどの超伝導量子ビットへのマイクロ波光子状態の直接マッピングを可能にし、光学ポンプクロストークは最小限に抑えられた。