[논문 리뷰] A Phononic Bus for Coherent Interfaces Between a Superconducting Quantum Processor, Spin Memory, and Photonic Quantum Networks

Tomáš Neuman, Matt Eichenfield외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 18.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 압전 효과 및 스핀-응력 결합을 통해 초전도성 마이크로파 큐비트, 실리콘-빈약 중심의 스핀 큐비트, 광학 네트워크 간에 고정밀 양자 상태 전달을 가능하게 하는 진동수 버스를 제안한다. MHz 수준의 대역폭과 최적화된 진동수 공진기 덕분에 이론적 전달 품질이 99%를 초과하여 장수명 메모리, 고정밀 게이트, 장거리 연결성을 갖춘 확장 가능한 하이브리드 양자 아키텍처를 실현한다.

ABSTRACT

We introduce a method for high-fidelity quantum state transduction between a superconducting microwave qubit and the ground state spin system of a solid-state artificial atom, mediated via an acoustic bus connected by piezoelectric transducers. Applied to present-day experimental parameters for superconducting circuit qubits and diamond silicon vacancy centers in an optimized phononic cavity, we estimate quantum state transduction with fidelity exceeding 99\\% at a MHz-scale bandwidth. By combining the complementary strengths of superconducting circuit quantum computing and artificial atoms, the hybrid architecture provides high-fidelity qubit gates with long-lived quantum memory, high-fidelity measurement, large qubit number, reconfigurable qubit connectivity, and high-fidelity state and gate teleportation through optical quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트의 동안 시간, 장거리 연결성, 큐비트 확장성, 읽기 정확도의 한계를 보완하기 위해 고체 상태의 인공 원자와 통합함으로써 문제를 해결하고자 한다.
• 마이크로파 큐비트, 스핀 큐비트, 광학 네트워크 간에 이질적인 양자 시스템 간의 고정밀, 비파괴적 양자 상태 전달을 가능하게 하기 위해 진동수 버스를 중개자로 사용하고자 한다.
• 초전도 회로(빠른, 고정밀 게이트)와 인공 원자(장수명, 광학 연결성)의 상호보완적 강점을 활용하여 확장 가능한 양자 정보 처리를 실현하고자 한다.
• 광학 텔레포테이션을 통한 양자 인터넷 통합을 고려할 때, 결정적 스핀 제어, 장수명 양자 메모리, 단일 플랫폼 내에서의 확장 가능한 장거리 연결성을 갖춘 하이브리드 양자 아키텍처의 실현 가능성을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 스핀-응력 결합과 압전 효과를 통해 단일 진동수와 실리콘-빈약(SiV−) 중심의 전자 스핀 간의 강한 결합을 달성하기 위해 진동수 공진기를 설계한다.
• 네 인터페이스 양자 아키텍처를 사용한다: 마이크로파 → 진동수, 진동수 → 스핀, 스핀 → 핵 스핀(메모리용), 스핀 → 광자(네트워킹용).
• 실험적으로 확보된 초전도 플럭스 큐비트 및 SiV− 중심의 파rameter를 포함한 마스터 방정식 접근법을 사용해 진동수 → 스핀 전달을 모델링한다.
• 회전파 근사 하에 효과적 결합 해밀토니안을 유도하여 Mølmer-Sørensen 유형의 게이트를 실현함으로써 공유 진동수 모드를 통해 두 전자 스핀 간의 얽힘을 생성한다.
• 효과적 결합 강도 $ g_{\rm M-S} \approx \frac{(g_{\rm eff}^{0})^2}{8\delta_{\rm MS}} $ 는 회전파 근사 하에 유도되며, 이는 $ |{\rm gg},0\rangle $ 와 $ |{\rm ee},0\rangle $ 상태 간의 비파괴적 인구 전이를 가능하게 한다.
• 설계는 최소한의 비파괴를 동반한 결정적 고정밀 상태 전달을 가능하게 하며, 현실적인 비파괴 속도를 고려한 인구 동역학 시뮬레이션을 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동수 버스는 초전도 마이크로파 큐비트와 인공 원자 내 스핀 큐비트 간에 고정밀 양자 상태 전달을 중개할 수 있는가?
• RQ2 진동수 공진기 내에서 압전 효과 및 스핀-응력 결합을 사용할 때 마이크로파 및 스핀 자유도 간의 전달 가능 품질은 얼마인가?
• RQ3 이 하이브리드 아키텍처는 단일 플랫폼 내에서 장수명 양자 메모리와 확장 가능한 장거리 연결성을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 공유 진동수 모드를 통해 다수의 스핀 큐비트에 대한 결정적 얽힘 생성이 가능한가?
• RQ5 MHz 수준의 대역폭에서 근접 단일 품질의 상태 전달을 달성하기 위한 최적의 공진기 및 결합 파라미터는 무엇인가?

주요 결과

• 현행 실험 조건 하에서 초전도 마이크로파 큐비트와 SiV− 중심 전자 스핀 간의 양자 상태 전달 품질이 99%를 초과한다.
• 진동수 공진기 설계는 단일 진동수와 SiV− 스핀 간의 강한 결합을 달성하여 MHz 수준의 대역폭에서 고정밀 상태 전달을 가능하게 한다.
• 핵 스핀인 13C와의 피드백 결합을 통해 장수명 양자 메모리를 실현하며, 이의 공명 시간는 1분을 초과한다.
• 이 아키텍처는 고정밀 게이트 작동과 광학 네트워크 통한 상태 텔레포테이션을 지원하여 장거리 연결성을 실현한다.
• 시뮬레이션 결과, $ |{\rm gg},0\rangle $ 와 $ |{\rm ee},0\rangle $ 상태 간의 비파괴적 인구 전이가 이상적 $ 0.5[\cos(2g_{\rm MS}t)+1] $ 프로파일과 일치함을 확인하여 효과적인 Mølmer-Sørensen 게이트 작동을 입증한다.
• 공유 진동수 모드를 통해 두 전자 스핀에서 얽힌 GHZ 상태를 결정적으로 준비할 수 있으며, 현실적인 비파괴 조건 하에서도 품질이 유지된다.