[論文レビュー] The squeezed Kerr oscillator: spectral kissing and phase-flip robustness

Nicholas Frattini, Rodrigo G. Cortiñas+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2022

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ひとこと要約

この論文はSNAIL-トランスモン回路において圧縮された Kerr オシレーターを実現し、静的有効ハミルトニアンを検証し、スペクトルのキス現象による基底寿命の階段状増大と高忠実度の QND 読み出しを備えた Kerr-cat 量子ビットを示す。

ABSTRACT

By applying a microwave drive to a specially designed Josephson circuit, we have realized an elementary quantum optics model, the squeezed Kerr oscillator. This model displays, as the squeezing amplitude is increased, a cross-over from a single ground state regime to a doubly-degenerate ground state regime. In the latter case, the ground state manifold is spanned by Schrödinger-cat states, i.e. quantum superpositions of coherent states with opposite phases. For the first time, having resolved up to the tenth excited state in a spectroscopic experiment, we confirm that the proposed emergent static effective Hamiltonian correctly describes the system, despite its driven character. We also find that the lifetime of the coherent state components of the cat states increases in steps as a function of the squeezing amplitude. We interpret the staircase pattern as resulting from pairwise level kissing in the excited state spectrum. Considering the Kerr-cat qubit encoded in this ground state manifold, we achieve for the first time quantum nondemolition readout fidelities greater than 99%, and enhancement of the phase-flip lifetime by more than two orders of magnitude, while retaining universal quantum control. Our experiment illustrates the crucial role of parametric drive Hamiltonian engineering for hardware-efficient quantum computation.

研究の動機と目的

• 静的有効シュリンク Kerr ハミルトニアンと一致する駆動型非線形オシレーターを cQED で動機づけ、実現する。
• 圧縮の増大に伴い Kerr-cat 状態で張られた二重縮退基底状態集合の出現を示す。
• 自由度のないパラメータなしの理論と一致する、対となるレベルキスのスペクトル特性を特徴づける。
• Kerr-cat量子ビットのコヒーレンス特性を定量化し、基底状態とcat状態の寿命を含むノイズ・駆動への頑健性を評価する。

提案手法

• Kerr および高次非線形性を含む駆動型非線形オシレーターHを出発点とし、二SNAILアレイトランスモンによって実装する。
• 振動数の約2倍付近の強いマイクロ波駆動を適用して圧縮 Kerr レジームに到達する。
• 回転フレームで静的有効ハミルトニアン H_SK/ħ = ε_2(a^†2 + a^2) - K a^†2 a^2 を導出・対角化し、スペクトルを実験と比較する。
• スペクトroscopy測定と時間領域の読み出しを用いて基底状態の縮退と井間ダイナミクスを観察する。
• 周波数変換ビームスプリッター相互作用を介した非破壊測定（QND）を用いてメタポテンシャル井の占有とcat状態コヒーレンスを監視する。
• 単光子損失、 finite bath temperature、脱相を含むLindblad枠組みで散逸をモデル化し、寿命の階段現象を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動回路は実験条件下で静的有効圧縮 Kerr ハミルトニアンを実現しているか。
• RQ2 圧縮振幅の増加は Kerr オシレーターの励起状態スペクトルと基底状態の縮退（スペクトルのキス現象）にどう影響するか。
• RQ3 圧縮の関数としてコヒーレント状態とcat状態の寿命はどれくらいか、位相反転耐性は高忠実度QND測定で達成できるか。
• RQ4 基底状態集合に符号化された Kerr-cat 量子ビットが、現実的な散逸下で高忠実度の測定と位相安定性を向上させられるか。
• RQ5 パラメータなしの有効ハミルトニアンの対角化が、観測されたスペクトroscopy 的特徴をどの程度説明できるか。

主な発見

• スペクトロスコピーは、圧縮の増加に伴い非縮退スペクトラムから対ごとに縮退するスペクトラムへとクロスオーバーを示し、静的有効ハミルトニアンのパラメータなし対角化と一致する。
• 基底状態集合は二重縮退で、偶・奇の Kerr-cat 状態 |C_α^±> により張られ、α^2 = ε_2/K および |α|^2 = 8.5（示された例）。
• 基底状態（Kerr-cat）のコヒーレンス寿命 T_X は、キス現象による対称的エネルギー間の結合と井間のトンネル抑制により、圧縮の増加とともに階段状に増加する。
• Kerr-cat量子ビットのQND読み出し忠実度は99%を超え、駆動およびフラックスノイズ下でのデフィージングに対して感度が低い挙動を観測。
• コヒーレント状態の寿命は約100 µsに達し（例：選択点で T_X ≳ 97 µs）、猫状態の寿命 T_YZ > 5 µs、周波数をずらしたポンピングにより特定の動作領域でミリ秒規模の改善を可能とする。
• 本論文はボーアの作用量子化が平衡外の駆動系に適用可能であることと、パラメトリック駆動設計がハードウェア効率の高い量子計算を実現することを示している。