[論文レビュー] To catch and reverse a quantum jump mid-flight

Zlatko Minev, Shantanu Mundhada+7 more|RePEc: Research Papers in Economics|Mar 1, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、補助状態をモニタリングすることで、超伝導キュービットにおける量子ジャンプのリアルタイム検出と逆転を実証した。ジャンプの開始が予測可能であり、飛行中にも逆転可能であることを示した。実時間フィードバックを用いて98%の忠実度でジャンプを捕らえ、元に戻すことで、量子軌道理論が実験的に確認された。

ABSTRACT

Quantum physics was invented to account for two fundamental features of measurement results -- their discreetness and randomness. Emblematic of these features is Bohr's idea of quantum jumps between two discrete energy levels of an atom. Experimentally, quantum jumps were first observed in an atomic ion driven by a weak deterministic force while under strong continuous energy measurement. The times at which the discontinuous jump transitions occur are reputed to be fundamentally unpredictable. Can there be, despite the indeterminism of quantum physics, a possibility to know if a quantum jump is about to occur or not? Here, we answer this question affirmatively by experimentally demonstrating that the jump from the ground to an excited state of a superconducting artificial three-level atom can be tracked as it follows a predictable "flight," by monitoring the population of an auxiliary energy level coupled to the ground state. The experimental results demonstrate that the jump evolution when completed is continuous, coherent, and deterministic. Furthermore, exploiting these features and using real-time monitoring and feedback, we catch and reverse a quantum jump mid-flight, thus deterministically preventing its completion. Our results, which agree with theoretical predictions essentially without adjustable parameters, support the modern quantum trajectory theory and provide new ground for the exploration of real-time intervention techniques in the control of quantum systems, such as early detection of error syndromes.

研究の動機と目的

• 量子ジャンプが従来、根本的に予測不能であると見なされてきたが、それがリアルタイムで検出可能かつ逆転可能かどうかを検証すること。
• 量子軌道理論を実験的に検証し、量子ジャンプの連続的でコherentな変化を観測すること。
• ジャンプが完了する前に、決定的な干渉を可能にするフィードバックプロトコルを開発すること。
• 量子情報システムにおけるエラー検出および補正の基盤として、量子ジャンプの早期検出を実証すること。

提案手法

• 実験では、基底状態 |G⟩ と暗黒状態 |D⟩ 間の隠れた遷移を持つ、超伝導三準位人工原子（トランモンキュービット）を用いた。
• 明るい状態 |B⟩ は、Rabi駆動 Ω_BG を介して |G⟩ と結合されており、その励起状態の分布はマイクロ波キャビティを通じて連続的にモニタリングされ、|G⟩ と |D⟩ の状態を間接的に推定する。
• FPGAコントローラー上で実行されるリアルタイム信号処理は、反射されたマイクロ波プローブを分析し、|B⟩ の励起状態の減少を検出し、近い将来にジャンプが発生することを示唆する。
• ジャンプが検出されると、フィードバックパルスが適用され、ジャンプが完了する前に系が |G⟩ に戻るよう制御される。
• |G⟩ から |B⟩ への遷移の制御とキャビティ状態を分離するために、二色の駆動を用いた。
• 量子状態トモグラフィーと忠実度解析により、プロセスの逆転可能性とコherenceが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ジャンプが本質的にランダムであるにもかかわらず、その完成前に検出可能であるか？
• RQ2 量子ジャンプの進化は、量子軌道理論が予測するように連続的でコherentであるか？
• RQ3 リアルタイムフィードバックを用いて、ジャンプの飛行中に対応して逆転可能か？
• RQ4 逆転プロセスの忠実度は何か？ また、ランダムな干渉と比較するとどうなるか？
• RQ5 この手法は、量子情報システムにおけるエラーの検出および是正に一般化可能か？

主な発見

• |G⟩ から |D⟩ への量子ジャンプは、3.95 μs の検出可能な「遅延」を伴い、その間、系は予測可能な飛行経路にある。
• ジャンプの進化は連続的でコherentであり、決定的である。飛行途中での逆転には98%の忠実度が達成された。
• ジャンプの平均間隔は 220 ± 5 μs であり、系は |D⟩ に 30.8 ± 0.4 μs 停留した後、再び |G⟩ に戻る。
• ジャンプ飛行の中央点にフィードバック逆転プロトコルを適用した場合、成功確率は98%に達した。
• コherence時間（T₁ = 116 ± 5 μs、T₂ = 120 ± 5 μs）が、リアルタイム制御の実現可能性を支持している。
• 実験結果は、調整可能なパrameterなしに量子軌道理論と一致しており、その予測能力が裏付けられた。