[論文レビュー] Superconducting cavity qubit with tens of milliseconds single-photon coherence time

Ofir Milul, Barkay Guttel+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 76被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、表面損失が最小限の高純度ニオブiumキャビティを用い、トランスモンとの弱い結合により、1光子のコherence時間34 msを達成した超伝導キャビティキュービットを提示する。これは前例の10倍以上にのぼり、1024光子のシュレーディンガーの猫状態の準備を可能にし、ボソン量子誤り訂正の可能性を示している。

ABSTRACT

Storing quantum information for an extended period of time is essential for running quantum algorithms with low errors. Currently, superconducting quantum memories have coherence times of a few milliseconds, and surpassing this performance has remained an outstanding challenge. In this work, we report a qubit encoded in a novel superconducting cavity with a coherence time of 34 ms, an improvement of over an order of magnitude compared to previous demonstrations. We use this long-lived quantum memory to store a Schrödinger cat state with a record size of 1024 photons, indicating the cavity's potential for bosonic quantum error correction.

研究の動機と目的

• 故障耐性量子計算および量子ネットワークを支援するため、超伝導回路における量子コherence時間を延長すること。
• 表面酸化物損失およびトランスモンによるデコherenceが原因で短いコherence時間を示す超伝導キャビティキュービットの制限を克服すること。
• ボソン量子誤り訂正に向けた大規模フォック状態重ね合わせを記憶可能な高コherence量子メモリを開発すること。
• 表面特性を設計したマイクロ波キャビティを用いた、長寿命の量子情報記憶のスケーラブルなプラットフォームを実証すること。

提案手法

• 表面酸化物損失を最小限に抑えるために、電子ビーム溶接および表面研磨を用いて高純度ニオブiumキャビティを製作した。
• 電場をトランスモン結合点に集中させる半楕円形キャビティ形状を採用し、チップ由来の損失を低減した。
• ストライプライン共振器を介してキャビティを弱くトランスモンキュービットに結合させ、デコherenceを最小限に抑えつつ量子状態操作を可能にした。
• 低結合率を補償し、トランスモン由来の誤差を低減するために、強いパラメトリック駆動を用いた。
• 10 mKで古典的リングダウン測定を実施し、裸のキャビティを特徴付け、減衰時間0.11 s（Q₀ ≈ 3×10⁹）を達成した。
• 量子トモグラフィーおよびパリティ測定を用いてネッシング状態の準備と忠実度を検証し、低雑音読み取りのためTWPAおよびHEMT増幅器を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面工学および結合制御を改善することで、超伝導キャビティキュービットが10 msを超える1光子コherence時間を達成できるか？
• RQ2 弱いトランスモン結合が、高Qキャビティにおけるデコherenceおよび非線形効果をどの程度緩和できるか？
• RQ3 1000光子を超えるマイクロ波キャビティ内に、シュレーディンガーのネッシング状態を準備し、安定して維持できるか？
• RQ4 光子損失、トランスモン読み取り不正確性、およびKerr非線形性が、大規模ネッシング状態の干渉縞の可視度にどのように寄与するか？
• RQ5 キャビティ表面の品質および環境結合が、1光子キュービットの究極的コherence時間に果たす役割は何か？

主な発見

• キャビティは1光子の緩和時間T₁ᶜ = 25.6 ± 0.2 msおよびコherence時間T₂ᶜ = 34 ± 1 msを達成し、前例の10倍以上の向上を示した。
• 裸のキャビティの古典的リングダウン測定から、減衰時間0.11 s（Q₀ = 3×10⁹）を達成し、熱処理を行わない真空中アニールニオブiumキャビティの値に近づいた。
• 1024光子のシュレーディンガーのネッシング状態が準備され、特徴付けられ、前例の10倍の光子数の増加を達成した。
• パリティ測定における縞の可視度は、小規模ネッシング状態では0.95であったが、1024光子状態では0.86に低下し、高光子数での測定忠実度の低下を示した。
• シミュレーションでは、大規模ネッシング状態の観測可視度が予測値より著しく低く、キャリブレーション感度や分散モデルを超える非線形効果などの未考慮の誤差が存在すると示唆された。
• キャビティのKerr非線形性はKc = 2π × 3.6 Hzで測定され、位相崩壊時間は4 msであった。これはネッシング状態の54 μsのコherence時間よりも長く、Kerr効果がデコherenceを支配していないことを示した。