[論文レビュー] SWAP gate between a Majorana qubit and a parity-protected superconducting qubit

Luca Chirolli, Norman Y. Yao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 57被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、パリティ保護型超伝導キュービット（PPSQ）とメジャナナキュービット（MQ）を組み合わせたハイブリッド量子アーキテクチャを提案し、SWAPゲートを介した高精度な量子情報転送を実現する。PPSQは、π周期的なジョセフソン接合を有するゲート調整可能な半導体ワイヤーを用いて実現され、単一のコープァーペアトンネルを抑制し、フェルミオンパリティを維持する。一方、MQは4つのメジャナナ零モードに符号化される。接合における4π周期的ジョセフソン効果により、共鳴的結合が可能となり、高精度なSWAPゲートが実現可能となり、1つのプラットフォームで高速ゲートとトポロジカル保護を両立する。

ABSTRACT

High fidelity quantum information processing requires a combination of fast gates and long-lived quantum memories. In this Letter, we propose a hybrid architecture, where a parity-protected superconducting qubit is directly coupled to a Majorana qubit, which plays the role of a quantum memory. The superconducting qubit is based upon a π-periodic Josephson junction realized with gate-tunable semiconducting wires, where the tunneling of individual Cooper pairs is suppressed. One of the wires additionally contains four Majorana zero modes that define a qubit. We demonstrate that this enables the implementation of a SWAP gate, allowing for the transduction of quantum information between the topological and conventional qubit. This architecture combines fast gates, which can be realized with the superconducting qubit, with a topologically protected Majorana memory.

研究の動機と目的

• 従来の超伝導キュービットの高速かつ高精度なゲートと、トポロジカルに保護されたメジャナナキュービットの長寿命コherencesを組み合わせたハイブリッド量子アーキテクチャの開発。
• 通常のキュービットとメジャナナキュービットの間での量子状態転送をSWAPゲートによって実現し、量子メモリーやバッファ用途における重要な操作を実現すること。
• π周期的ジョセフソン接合に基づくパリティ保護型超伝導キュービット（PPSQ）が、4π周期的ジョセフソン効果を介してメジャナナキュービットと共鳴的結合可能であることを示すこと。
• PPSQのチャージングエネルギーが、メジャナナキュービットの2つの状態を解像可能であることを示し、射影測定とゲート制御を可能にすること。
• ゲート調整可能なジョセフソン接合を用いて、トポロジカルキュービットと従来の超伝導キュービットを統合する一般的なフレームワークを確立すること。

提案手法

• 系は、2つのゲート調整可能な半導体ジョセフソン接合を介してリファレンス超伝導体と結合された超伝導島で構成され、そのうちの1つは4つのメジャナナ零モード（MZMs）を有するトポロジカル超伝導体を含む。
• PPSQは、cos(2ϕ)のエネルギー位相関係を有するπ周期的ジョセフソン接合を用いて実現され、奇数個のコープァーペアトンネルを抑制し、島上のフェルミオンパリティを維持する。
• MZMsのハミルトニアンには、4π周期的ジョセフソン結合項iγ′₁γ₂EMcos(ϕ/2)が含まれ、MZMsと超伝導島との間の共鳴的結合を媒介する。
• PPSQのチャージングエネルギーEC = e²/2Cは、偶数および奇数のコープァーペア数状態を区別し、メジャナナキュービット状態を電荷基底で解像可能にする。
• 系は電荷基底で解析され、π周期的ジョセフソン項cos(2ϕ)は、2つのコープァーペアの違いを示す2準位遷移として作用し、ゲート操作を可能にする。
• SWAPゲートは、4π周期的結合と調整可能な混合エネルギーλ₁およびλ₂によって駆動される、PPSQとMQの準位間の共鳴ラビ振動を介して実装される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パリティ保護型超伝導キュービット（PPSQ）は、4π周期的ジョセフソン接合を介してメジャナナキュービット（MQ）と共鳴的結合可能か？
• RQ2 PPSQとMQ間の4π周期的ジョセフソン結合は、量子状態転送のための高精度なSWAPゲートを可能にするか？
• RQ3 PPSQのチャージングエネルギーは、MQの2つの論理状態を解像可能であり、射影測定と制御を可能にするか？
• RQ4 トポロジカル保護のおかげで局所的摂動に対して頑健でありながら、高速ゲート操作を維持できるか？
• RQ5 接合のゲート調整性により、結合強度とゲート精度を動的に制御可能か？

主な発見

• ゲート調整可能な接合における4π周期的ジョセフソン効果を介して、パリティ保護型超伝導キュービットとメジャナナキュービットの間で高精度なSWAPゲートが実証された。
• PPSQのπ周期的ジョセフソン接合は、奇数高調波の破壊的干渉によって実現され、島上のコープァーペア数のフェルミオンパリティを維持する。
• PPSQのチャージングエネルギー（EC）は、偶数および奇数のコープァーペア数セクターに符号化されたメジャナナキュービットの2状態を十分に解像可能である。
• 4π周期的ジョセフソン結合により、PPSQとMQ間の共鳴的ラビ振動が可能となり、SWAPゲート操作の基盤が形成された。
• このプロトコルは一般性を持ち、半導体ナノワイヤーを用いたゲートモンを含む、π周期的ジョセフソン接合の任意の実装に適用可能である。
• 数値シミュレーションにより、PPSQおよびMQの両方について明確な2準位系が支持されており、ゲート制御が可能な明確なエネルギー分裂が確認された。