[논문 리뷰] Analog information processing at the quantum limit with a Josephson ring modulator

N. Bergeal, R. Vijay외 5명|ArXiv.org|2008. 05. 22.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장 조절을 통해 흐름을 가진 링 구조로 구성된 네 개인 조셉슨 결합을 사용하여 양자 한계를 충족하는 위상 보존 증폭을 실현한 실용적인 마이크로파 조셉슨 링 모듈레이터를 제시한다. 손실이 없는 회로에서 비균일한 파arametric 혼합을 활용함으로써 장치는 반도체 소자에서의 기본 양자 잡음 한계에 도달하며, 잡음으로 인해 반만의 광자(1/2 photon)를 추가하고, 초전도 큐비트 독출에서 소음 없는 주파수 변환 및 동적 냉각 등의 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Amplifiers are crucial in every experiment carrying out a very sensitive measurement. However, they always degrade the information by adding noise. Quantum mechanics puts a limit on how small this degradation can be. Theoretically, the minimum noise energy added by a phase preserving amplifier to the signal it processes amounts at least to half a photon at the signal frequency. In this article, we show that we can build a practical microwave device that fulfills the minimal requirements to reach the quantum limit. This is of importance for the readout of solid state qubits, and more generally, for the measurement of very weak signals in various areas of science. We also discuss how this device can be the basic building block for a variety of practical applications such as amplification, noiseless frequency conversion, dynamic cooling and production of entangled signal pairs.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 과학에서 민감한 측정을 위한 양자 한계에서 작동하는 실용적이고 낮은 잡음의 마이크로파 증폭기를 개발하기 위해.
• 최소한의 추가 잡음으로 위상 보존 증폭을 실현하여, 이론적으로 가능한 최소한의 잡음(신호 모드당 1/2 광자)을 달성하기 위해.
• 최소한의 조셉슨 링 모듈레이터 회로가 높은 정밀도와 낮은 손실을 가진 비균일한 파라메트릭 증폭기로 작동할 수 있음을 입증하기 위해.
• 초전도 큐비트 장치에서 소음 없는 주파수 변환, 동적 냉각, 얽힌 신호 생성 등의 응용을 가능하게 하기 위해.
• 구체적이고 실험적으로 실현 가능한 회로 설계를 통해 이론적 양자 한계 증폭의 프레임워크를 검증하기 위해.

제안 방법

• 장치는 외부 자기장에 의해 스레드된 네 개의 동일한 조셉슨 결합으로 이루어진 링을 사용하여, 일관되고 비선형적이며 손실이 없는 회로 요소를 형성한다.
• 시스템은 세 가지 수직 모드인 X, Y, Z를 지원하여 파라메트릭 증폭에 필수적인 삼중파 혼합을 가능하게 한다.
• 해밀토니안은 조셉슨 결합 에너지의 합으로 유도되며, 링의 동역학은 각 결합을 관통하는 게이지 불변 위상 차이에 의해 지배된다.
• 산란 행렬 형식을 사용하여 입력-출력 관계를 기술하며, 심플렉틱성은 유니터리 양자 진동과 교환 관계의 유지 보장을 한다.
• 위상 보존 및 캐논ical 변환 조건 하에 최소한의 산란 행렬을 유도하여, 증폭(t ≠ 0) 또는 변환(s = 0)을 가능하게 하며 최소한의 잡음을 갖는 형태를 도출한다.
• 임의의 디튜닝에 대해 반사 및 투과 계수의 해석적 표현을 유도하여 장치의 조정 가능성과 다양한 작동 영역에서의 성능을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조셉슨 링 모듈레이터는 마이크로파 영역에서 양자 한계에서 위상 보존 증폭을 달성하도록 설계될 수 있는가?
• RQ2 근본적으로 소음이 거의 없는 비균일한 파라메트릭 증폭기를 실현하기 위해 필요한 최소한의 회로 구성은 무엇인가?
• RQ3 장치의 산란 행렬이 소음 없는 주파수 변환 및 동적 냉각 능력을 제약하는 방식은 어떠한가?
• RQ4 외부 자기장 및 펌프 파arameter를 통해 장치 성능을 얼마나 조절할 수 있는가?
• RQ5 4개의 조셉슨 결합만을 사용하는 고체 상태 회로를 통해 이론적 양자 잡음 한계(1/2 광자)를 실험적으로 접근할 수 있는가?

주요 결과

• 조셉슨 링 모듈레이터는 최소한의 추가 잡음 1/2 광자(신호 모드당)를 기록하여 기본 양자 한계에 도달하는 위상 보존 증폭을 실현한다.
• 장치는 심플렉틱성을 만족하는 산란 행렬을 지녀, 유니터리 양자 진동과 최소한의 잡음을 보장하며 비균일한 파라메트릭 증폭기로 작동한다.
• 이론적 분석은 투과 계수 s = 0일 때 장치가 소음 없는 주파수 변환을 수행할 수 있으며, 모드 간 광자 수를 보존함을 확인한다.
• 에너지가 한 모드에서 다른 모드로 이동함으로써 에너지 손실 없이 에너지를 전달함으로써 동적 냉각을 지원하며, 마이크로파 모드의 기본 상태 냉각이 가능하다.
• 산란 행렬은 오직 8개의 독립된 복소 계수로 구성된 최소 형태로 유도되었으며, 장치의 성능은 식 (35)를 통해 디튜닝 및 결합 파arameter와 해석적으로 연결된다.
• 장치는 본질적으로 손실이 없으며, 오직 분산 소자에 의존하므로 내재된 잡음 소스를 최소화하고 양자 한계에서의 작동을 가능하게 한다.