[論文レビュー] Tunable quantum gate between a superconducting atom and a propagating microwave photon

Kazuki Koshino, K. Inomata+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、共振器結合波ガイド系を用いて、超伝導人工原子と進行するマイクロ波光子の間で調整可能な2キュービット量子ゲートを提案する。駆動場のイン・サイト制御により、光子の反射に伴い、決定的かつ再構成可能なSWAP、$√{\text{SWAP}}$、および恒等ゲートを実現可能であり、高精度で再構成可能な遠隔キュービット間のエンタングルメントを実現するスケーラブルなモジュラー量子ネットワークを可能にする。

ABSTRACT

We propose a two-qubit quantum logic gate between a superconducting atom and a propagating microwave photon. The atomic qubit is encoded on its lowest two levels and the photonic qubit is encoded on its carrier frequencies. The gate operation completes deterministically upon reflection of a photon, and various two-qubit gates (SWAP, $\sqrt{ m SWAP}$, and Identity) are realized through {\it in situ} control of the drive field. The proposed gate is applicable to construction of a network of superconducting atoms, which enables gate operations between non-neighboring atoms.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子ネットワークを実現するため、超伝導キュービットと飛行マイクロ波光子の間で決定的かつ再構成可能な2キュービット量子ゲートを可能にする。
• モジュラー量子アーキテクチャにおける固定ゲート操作の限界を克服するため、動的駆動制御によるチューナビリティを導入する。
• 単一のデバイスが駆動パラメータを調整することで、SWAP、$√{\text{SWAP}}$、恒等ゲートを含む複数のユニバーサル量子ゲートを実装できることを示す。
• 提案されたゲートを級列的に実装することで、遠隔に配置された超伝導原子間の長距離エンタングルメントを実現する。

提案手法

• 超伝導人工原子をマイクロ波共振器に分散結合し、光子入力および駆動場注入のための2つの波ガイドに接続する。
• 静的駆動場（振幅$\Omega_d$、周波数$\omega_d$）を用いた回転フレームで系を操作し、ハミルトニアン$\mathcal{H}_{ar}$によりドレッシング状態を設計可能にする。
• 単一周波数の光子が反射する際に決定的にゲート操作が完了し、量子情報は光子のキャリア周波数に符号化される。
• ゲートタイプは駆動周波数$\omega_d$および振幅$\Omega_d$を調整することで制御され、ドレッシング状態間の混合角$\theta_l$を制御する。
• 理論的分析では4準位ヒルバート空間（$|g,0\rangle$、$|e,0\rangle$、$|g,1\rangle$、$|e,1\rangle$）を用い、時間依存散乱振幅$\xi_{ij}(\omega)$による光子散乱をモデル化する。
• ゲートの優位性は、エンタングルメント優位性$f_{\text{sw}}$および平均ゲート優位性$\mathcal{F}_{\text{sw}} = (4f_{\text{sw}} + 1)/5$を用いて評価され、ゲート時間中の原子の崩壊を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のデバイスが、超伝導キュービットと進行するマイクロ波光子の間で、SWAP、$√{\text{SWAP}}$、恒等ゲートを含む複数のユニバーサル2キュービットゲートを実装可能か？
• RQ2 駆動場のイン・サイト制御により、恒等ゲートからSWAPゲートまで連続的にゲート操作をチューニング可能か？
• RQ3 原子の崩壊を含む現実的条件下でも、ゲート操作の優位性はどの程度か？
• RQ4 提案されたゲートを級列的に接続することで、2つの遠隔に配置された超伝導原子間のエンタングルメントを生成可能か？
• RQ5 ゲート性能は、光子パルス形状および駆動パラメータにどのように依存するか？

主な発見

• 提案されたゲートは、光子の反射に伴い決定的に動作し、最適な駆動条件ではSWAP操作のゲート優位性が95％を超える。
• 駆動周波数および振幅を調整することで、単一のデバイス内でSWAP、$√{\text{SWAP}}$、恒等ゲートを連続的に実現可能である。
• 原子の崩壊に対して頑健であり、有限の$T_1$寿命下でも平均ゲート優位性$\mathcal{F}_{\text{sw}}$が90％以上を維持する。
• 複数のゲートの級列接続が可能であり、光子交換を介して2つの遠隔超伝導原子間のエンタングルメント生成が可能である。
• 理論的分析により、ゲート操作がパルス帯域幅内での初期光子周波数に依存しないことが確認され、周波数に依存しない動作が可能である。
• ゲートは4準位のドレッシング状態マニフォールドを介して実装され、回転フレーム変換および分散結合から導かれる有効ハミルトニアンに基づく。