[論文レビュー] The Kerr-Cat Qubit: Stabilization, Readout, and Gates

Alexander Grimm, Frattini, Nicholas E.+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、マイクロ波レゾネータ内における二つの反対位相のコヒーレント状態の重ね合わせとして符号化された超伝導キュービット、Kerr-キャットキュービットを紹介する。このキュービットは、Kerr非線形性と単一モードのスクリーミングによって安定化され、内在的な誤り保護を有する。著者らは、横方向の緩和時間（T2）が10倍に延長され、コherence時間よりも60倍速い高速な単一キュービットゲート、およびシングルショット量子非破壊測定（QND）を実証した。これにより、内在的誤り保護を有する、高速かつスケーラブルな量子情報処理が実現された。

ABSTRACT

Quantum superpositions of macroscopically distinct classical states, so-called Schrödinger cat states, are a resource for quantum metrology, quantum communication, and quantum computation. In particular, the superpositions of two opposite-phase coherent states in an oscillator encode a qubit protected against phase-flip errors. However, several challenges have to be overcome in order for this concept to become a practical way to encode and manipulate error-protected quantum information. The protection must be maintained by stabilizing these highly excited states and, at the same time, the system has to be compatible with fast gates on the encoded qubit and a quantum non-demolition readout of the encoded information. Here, we experimentally demonstrate a novel method for the generation and stabilization of Schrödinger cat states based on the interplay between Kerr nonlinearity and single-mode squeezing in a superconducting microwave resonator. We show an increase in transverse relaxation time of the stabilized, error-protected qubit over the single-photon Fock-state encoding by more than one order of magnitude. We perform all single-qubit gate operations on time-scales more than sixty times faster than the shortest coherence time and demonstrate single-shot readout of the protected qubit under stabilization. Our results showcase the combination of fast quantum control with the robustness against errors intrinsic to stabilized macroscopic states and open up the possibility of using these states as resources in quantum information processing.

研究の動機と目的

• 単一のオシレーターの位相空間におけるマクロな重ね合わせを活用した、物理的に頑健で誤り保護されたキュービットアーキテクチャの開発。
• Kerr非線形性と単一モードのスクリーミングを用いて、シュレーディンガーのネズミの状態（Schrödinger cat states）をデコherenceから安定化し、長寿命の量子重ね合わせを実現すること。
• 安定化されたキュービットに対して、高速かつ高精度の単一キュービットゲートおよびシングルショット量子非破壊測定（QND）を実現すること。
• 高速な量子制御と内在的誤り保護の両立を実証し、実用的なフォールトトレランス量子計算を可能にすること。
• 主なデコherenceチャネル（特にリークと位相ずれ）を同定し、それらを低減することで、従来の限界を超えたキュービットコherenceを延長すること。

提案手法

• キュービットは、二つのコヒーレント状態 |±α⟩ の重ね合わせとして符号化され、猫状態 |Cα±⟩ を形成する。この状態は位相空間における非局所性により、位相反転誤りに対して保護される。
• 安定化は、Kerr非線形性とエンジニアリングされた単一モードのスクリーミングの組み合わせにより実現され、オシレーターの有効なポテンシャル障壁を変更することでデコherenceを抑制する。
• 可変Kerr相互作用を有する超伝導マイクロ波レゾネータを用い、光子損失や環境ノイズに対する動的安定化を実現する。
• シングルショット量子非破壊測定（QND）は、読み取りレゾネータとの分散結合を介して実装され、符号化された状態を崩さずに測定可能である。
• 高速な単一キュービットゲートは、符号化されたキュービット基底に合わせて調整された共鳴マイクロ波パルスによって実現され、ゲート時間は最短コherence時間の60倍以上速い。
• 数値シミュレーションでは、有効パラメータ（n_th = 0.12, κ_ϕ,eff/2π = 230 Hz）を用いたマスター方程式によりデコherenceをモデル化し、キャリブレーションおよびオフセット補正後、実験データと一致する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導レゾネータ内におけるコヒーレント状態のマクロな重ね合わせを、長寿命で誤り保護されたキュービット状態として安定化できるか？
• RQ2 このような安定化されたキュービットに対して、コherenceを損なわずに高速かつ高精度の単一キュービット操作を実行できるか？
• RQ3 安定化されたキャットキュービットに対して、シングルショット量子非破壊測定が可能か？これにより、符号化された状態の繰り返し測定が可能か？
• RQ4 安定化されたKerr-キャットキュービットにおける主なデコherence機構は何か？それらはどのように低減できるか？
• RQ5 Kerr非線形性と単一モードのスクリーミングの組み合わせが、従来のフォック状態符号化を上回る程度で、キュービットのコherenceをどの程度向上させるか？

主な発見

• 安定化されたKerr-キャットキュービットの横方向緩和時間（T2）は、単一光子フォック状態符号化の10倍以上に延びた。
• 単一キュービットゲートは、最短コherence時間の1/60未塔で実行され、高速制御の実現が示された。
• 符号化されたキュービットに対するシングルショット量子非破壊測定が、安定化条件下で成功裏に実証された。
• n_th = 0.12およびκ_ϕ,eff/2π = 230 Hzを用いたシミュレーションは、ビット反転（約2.6 μs）、位相反転（約110 μs）、リーク（約16 μs）時間の実験データを再現し、モデルの妥当性を裏付けた。
• 観測されたビット反転率は平均光子数に線形に比例しており、フォールトトレランス量子計算に適した偏りのあるノイズプロファイルであることが確認された。
• リークは主にエネルギー障壁を超える状態に起因しており、光子数比（g3/K）を増加させ、二光子散逸を追加することで、このチャネルのさらなる抑制が可能であると示唆された。