[論文レビュー] Single-Shot Readout of Macroscopic Quantum Superposition State in a Superconducting Flux Qubit

Hirotaka Tanaka, Shiro Saito+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2004

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、電流バイアスをかけたdc-SQUID検出器を用いて、超伝導フラックスキュービットにおけるマクロな量子重ね合わせ状態のシングルショット読み出しを実証している。SQUIDを100 nA未満の狭いスイッチング電流領域で動作させることで、キュービットのエネルギー固有状態|0⟩と|1⟩の明確で重複のない読み出しが達成され、マイクロ波駆動による遷移を通じてコherentな量子挙動が確認され、コherence時間T₂* ≈ 5 nsが観測された。

ABSTRACT

Single-shot readout experiments were performed on the two lowest-energy states of a superconducting qubit with three Josephson junctions embedded in a superconducting loop. We measured the qubit state via switching current Isw of a current-biased dc-SQUID, a quantum detector surrounding the qubit loop. The qubit signals were measured in a small Isw regime of the SQUID, typically less than 100 nA, where the Isw distribution is particularly narrow. The obtained single-shot data indicate that the qubit state is readout, through the flux generated by the qubit persistent-current, as energy eigenstates rather than current eigenstates.

研究の動機と目的

• 超伝導フラックスキュービットにおけるマクロな量子重ね合わせ状態のシングルショット測定を達成すること。
• 平均化された読み出しの限界を克服し、高精度でリアルタイムの状態検出を実証すること。
• マイクロ波駆動による遷移を通じてマクロな量子コherenceの存在を確認すること。
• 作製可能でスケーラブルな固体状態キュービットを用いて、量子古典境界を調査すること。

提案手法

• 三つのジョセフソンジャンクションを有する超伝導フラックスキュービットを、アンダーブリッジおよびシャロウエバポレーション技術を用いて作製した。
• キュービットは、相互インダクタンスM ≈ 7 pHを有する電流バイアスdc-SQUID検出器と磁気的に結合された。
• シングルショット読み出しは、通常100 nA未塔の狭いI_sw分布を示す領域におけるSQUIDのスイッチング電流(I_sw)を測定することで実施された。
• |0⟩および|1⟩状態のI_sw分布が完全に分離するフラックスバイアス点でキュービットを動作させた。
• キュービット状態間のコherentな遷移をプローブするため、共鳴周波数のマイクロ波照射を施した。
• 熱力学的および量子統計モデルを用いて、実験データを正準分布の予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シングルショット測定は、超伝導フラックスキュービットの二つの最低エネルギー状態を高精度で区別できるか？
• RQ2 観測されたスイッチング電流分布は、電流固有状態ではなくエネルギー固有状態を反映しているか？
• RQ3 マイクロ波駆動による遷移によって、マクロな量子コherenceが存在するか？
• RQ4 キュービット状態のコherence時間T₂*は、共鳴遷移の線幅とどのように関係しているか？
• RQ5 実験結果は、マクロな量子オブジェクトが正準統計力学に従うことを確認しているか？

主な発見

• シングルショット読み出しは、スイッチング電流分布に重複なしに|0⟩および|1⟩エネルギー固有状態を明確に区別できた。
• 測定されたコherence時間T₂*は、マイクロ波駆動遷移の線幅から約5 nsであった。
• 共鳴周波数のマイクロ波照射により、|0⟩状態から|1⟩状態への測定可能な遷移が誘発され、コherentな量子トンネルの存在が確認された。
• 実験的スイッチング電流データは、有限温度における正準分布に基づく理論予測と良好に一致した。
• 高精度なサンプルではχ型のクロスステップが観測されなかったため、量子トンネルが抑制されており、高エネルギー障壁と熱励起の優位性に一致した。
• 熱平均化とヒストグラム解析によって確認されたように、システムはマクロな量子オブジェクトが統計力学に従う挙動を示した。