[論文レビュー] Superconducting qubits

A. M. Zagoskin, Alexandre Blais|ArXiv.org|May 1, 2008

Quantum and electron transport phenomena被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、超伝導体のマクロな量子コherenceを利用することでスケーラブルで固体状態の量子コンピューティングを可能にする、マクロな量子系としての超伝導キュービットをレビューする。フラックス、チャージ、および特異なキュービット設計（例：位相スリップ、アンドレーエフ準位、d波）が、長時間のデ coherent 時間と制御可能なキュービット操作を実現する方法を詳述し、実験的実装により最大8 μsのコherency 時間と高精度な破壊的でないラッチング読み取りが達成されたことを示している。

ABSTRACT

From a physicist's standpoint, the most interesting part of quantum computing research may well be the possibility to probe the boundary between the quantum and the classical worlds. The more macroscopic are the structures involved, the better. So far, the most "macroscopic" qubit prototypes that have been studied in the laboratory are certain kinds of superconducting qubits. To get a feeling for how macroscopic these systems can be, the states of flux qubits which are brought in a quantum superposition corresponds to currents composed of as much as 10^5-10^6 electrons flowing in opposite directions in a superconducting loop. Non-superconducting qubits realized so far are all essentially microscopic.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットが量子情報処理のためのスケーラブルでマクロな量子系として実現可能であるかを分析すること。
• 超伝導体のマクロな量子コherenceが長時間のデcoherent 時間と頑健なキュービット操作を可能にする仕組みを評価すること。
• 1/fノイズへの感受性を低減し、プロセスの耐障害性を向上させる、代替のキュービット設計（例：位相スリップ、アンドレーエフ準位、d波）を検討すること。
• キュービット制御、コherency、測定における実験的進展、特にラッチングおよび分散読み取り技術を評価すること。
• 超伝導キュービットがマクロ系における量子古典境界を調べるのに対し適しているかを確立すること。

提案手法

• 超伝導キュービットを、外的に制御可能な場と結合をもつ擬スピンハミルトニアンで記述する：$ H = \sum_a \vec{h}_a \cdot \vec{\sigma}_a + \sum_{a,b} \vec{\sigma}_a \cdot \mathbf{J}_{ab} \cdot \vec{\sigma}_b + \dots $、ここで $ \vec{h}_a $ と $ \mathbf{J}_{ab} $ は外部から制御可能な場および結合である。
• ジョセフソン接合子を有する超伝導ループに基づくフラックスキュービットを分析し、キュービット状態は $ 10^5 $–$ 10^6 $ 個の電子が反対方向に流れることに対応する持続的電流である。
• コープァー対ボックス構造を用いたチャージキュービットを検討し、状態は超伝導島への電荷に定義される。
• 特異なキュービット設計をレビュー：薄い超伝導ワイヤー（運動的インダクタンス）を用いた位相スリップキュービット、量子ポイントコンタクトを用いたアンドレーエフ準位キュービット、高温超伝導体を用いたd波キュービット。
• 大きなジョセフソン接合子の非線形ダイナミクスを用いたラッチング読み取りを説明し、キュービット状態を接合子の動的状態に符号化することで長期的な信号蓄積が可能となる。
• 回路QEDアーキテクチャを説明し、キュービットを伝送ライン共振器に結合させることでコherencyが向上し、非破壊的光子数測定が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体系における多数の自由度を有するにもかかわらず、超伝導キュービットはどのようにマクロな量子コherenceを実現するのか？
• RQ2 超伝導キュービットがスケーラブルな量子計算のためのディ・ヴィンチェンツォの基準を満たすために必要な主な設計原則は何か？
• RQ3 位相スリップ、アンドレーエフ準位、d波などの特異なキュービットアーキテクチャは、1/fノイズへの感受性をどのように低減させ、スケーラビリティを向上させるのか？
• RQ4 どのような実験的手法が超伝導回路における長時間のデcoherent 時間と高精度なキュービット読み取りを可能にするのか？
• RQ5 超伝導キュービットは、マクロ系における量子古典境界を調べるためのプローブとして、どの程度適しているのか？

主な発見

• フラックスキュービットは、反対方向に $ 10^5 $–$ 10^6 $ 個の電子が流れることに対応する量子重ね合わせ状態を示し、マクロな量子コherenceを実証している。
• チャージキュービットは、伝送ライン共振器内に作製された場合、リラクゼーション時間8 μs、デコherency 時間500 nsを達成し、高精度な状態準備と測定が可能になった。
• 最適化された設計では、フラックスキュービットで最大4 μsのデコherency 時間が測定され、強いコherency 残存性が示された。
• 大きなジョセフソン接合子の非線形ダイナミクスに基づくラッチング読み取りは実験的に実現され、長期的な信号蓄積とノイズ抑制による信号積算が可能となった。
• 回路QEDでは、共振器内の光子数の非破壊的測定が達成され、強い結合性と高精度な読み取りがスケーラブルなアーキテクチャで実証された。
• YBCOジョセフソン接合子における基底状態の degeneracy の実験的検証は、内在的デゲネラシーを有するd波キュービットの実現可能性を支持しており、外部調整の必要性が低減することが示された。