[논문 리뷰] A driven quantum superconducting circuit with multiple tunable degeneracies

Jayameenakshi Venkatraman, Rodrigo G. Cortinas외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 08.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 스queeze 드라이브를 통해 키퍼 온시레이터에서 다수의 조절 가능한 스펙트럼 비일치를 실현하는 구동된 초전도 양자 회로를 제시한다. 이는 디테이닝 Δ가 키퍼 계수의 짝수 배일 때(Δ/K = 2m) 정확한 페럴리티 보호 비일치를 가능하게 하며, 이는 양자 간섭을 통한 공학적 보호를 통해 고장 내성 양자 정보 처리의 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

We present the experimental discovery of multiple simultaneous degeneracies in the spectrum of a Kerr oscillator subjected to a squeezing drive. This squeezing, in combination with the Kerr interaction creates an effective static two-well potential in the frame rotating at half the frequency of the sinusoidal driving force. Remarkably, these degeneracies can be turned on-and-off on demand, and their number is tunable. We find that when the detuning $Δ$ between the frequency of the oscillator and characteristic frequency of the drive equals an even multiple of the Kerr coefficient $K$, $Δ/K = 2m$, the oscillator displays $m + 1$ exact, parity-protected, spectral degeneracies, insensitive to the drive amplitude. The degeneracies stem from the unusual destructive interference of tunnel paths in the classically forbidden region of the double well static effective potential that models our experiment. Exploiting this interference, we measure a peaked enhancement of the incoherent well-switching lifetime creating a super-protected cat qubit in the ground state manifold of our oscillator. {Our results demonstrate the relationship between degeneracies and noise protection in quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 구동된 키퍼 시스템을 이용해 비선형 초전도 온시레이터에서 다수의 조절 가능한 스펙트럼 비일치를 공학적으로 설계하는 것.
• 이 비일치가 드라이브 세기와 무관하게 유지되며, 이중우물 퍼텐셜에서의 간섭에 기인한 파괴적 양자 간섭에 기인함을 보여주는 것.
• 조절 가능한 비일치를 통해 비일치된 상태에서의 비구속적 웰 전환 수명을 향상시켜 슈퍼 보호 캣 큐비트를 실현하는 것.
• 회로 양자 전기역학에서 양자 상전이와 노이즈 보호를 연구하기 위한 새로운 플랫폼을 구축하는 것.
• 현장에서 주파수 조절을 통해 캣 큐비트에 연속적인 Z 게이트 기능을 제공하는 것.

제안 방법

• 시스템은 시간에 따라 변하는 하미르토니안으로 모델링되며, 이는 정현파로 구동되는 비선형 온시레이터에 키퍼 비선형성과 스queeze 드라이브를 포함한다.
• 표준 형태를 초월한 회전파근사법을 통해 동역학이 고정된 효과 하미르토니안으로 매핑되며, 이는 이중우물 퍼텐셜을 형성한다.
• 효과 하미르토니안에는 디테이닝 Δ, 키퍼 계수 K, 그리고 드라이브 유도 상호작용 ε₂가 포함되며, 이는 유한한 높이의 이중우물 퍼텐셜을 생성한다.
• Δ/K = 2m (m는 정수)일 때 비일치가 발생하며, 이는 정확한 페럴리티 보호 에너지 수준의 교차점 m+1개를 유도한다.
• 비일치는 이중우물의 고전적으로 금지된 영역에서의 터널링 경로 간의 간섭에 기인한 파괴적 간섭에 기인한다.
• 시스템의 스펙트럼은 드라이브 주파수와 세기의 함수로 실험적으로 측정되며, 비일치 지점에서 수명 피크가 관측된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동된 키퍼 온시레이터가 다수의 정확한 스펙트럼 비일치를 나타내는 조건은 무엇인가?
• RQ2 스queeze 드라이브로 형성된 이중우물 퍼텐셜에서 양자 간섭은 어떻게 터널링을 억제하는가?
• RQ3 비일치의 수와 존재 여부를 독립적이고 즉각적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 비일치는 비구속적 큐비트 디코herence 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템은 대칭 보호 비일치를 통해 고장 내성 캣 큐비트를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 디테이닝 Δ가 키퍼 계수 K의 짝수 배일 때(Δ/K = 2m), 드라이브 세기와 무관하게 정확한 페럴리티 보호 스펙트럼 비일치 m+1개가 관측된다.
• 비일치는 효과적인 이중우물 퍼텐셜의 고전적으로 금지된 영역에서의 터널링 경로 간의 간섭에 기인한다.
• 비일치 지점에서 비구속적 웰 전환 수명이 피크로 증가하며, 이는 슈퍼 보호 캣 큐비트를 정의한다.
• 시스템은 드라이브 주파수의 현장에서의 조절을 통해 캣 큐비트에 연속적인 Z 게이트 기능을 실현한다.
• 효과 하미르토니안은 비일치 지점에서 정확한 이산 대칭성을 지닐 뿐만 아니라, 기본 상태와 옹진 상태에서 터널링 분리 억제를 위한 연속적인 근사 대칭성을 지닌다.
• 실험 결과는 스queeze 구동 키퍼 온시레이터에서 이중성과 노이즈 내성에 대한 이론 예측을 확인하며, 스펙트럼 및 수명 측정에서 정량적 일치를 보였다.