[논문 리뷰] Circuit Quantum Electrodynamics with Electrons on Helium

A. Fragner|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 01.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초유체 헬륨 위에 갇힌 단일 전자를 사용하는 회로 양자 전기역학 플랫폼을 제안한다. 이 플랫폼은 고정밀 초도체 공진기와 결합되어 있으며, 전자의 운동 상태와 스핀 상태 양쪽 모두와 공명 결합이 가능하다. 전하 상태의 경우 광자 교환 시간이 10 ns 미만이며, 스핀 상태의 경우 1 μs 이내로 이루어져, 양자 정보 처리 및 비파괴적 전자 상태 측정에 큰 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

We propose to couple an on-chip high finesse superconducting cavity to the lateral-motion and spin state of a single electron trapped on the surface of superfluid helium. We estimate the motional coherence times to exceed 15 microseconds, while energy will be coherently exchanged with the cavity photons in less than 10 nanoseconds for charge states and faster than 1 microsecond for spin states, making the system attractive for quantum information processing and cavity quantum electrodynamics experiments. Strong interaction with cavity photons will provide the means for both nondestructive readout and coupling of distant electrons.

연구 동기 및 목표

• 초유체 헬륨 위의 단일 전자를 이용한 확장 가능한 양자 정보 처리 플랫폼을 개발하기 위해.
• 전자 상태와 공진기 광자 간에 강한 공명 결합을 가능하게 하여 양자 제어를 실현하기 위해.
• 전자 시스템에서 비파괴적 측정과 장수명 양자 얽힘을 달성하기 위해.
• 전자 전자의 운동 자유도와 스핀 자유도를 모두 활용한 공진기 양자 전기역학을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 초유체 헬륨 위에서 전자의 횡방향 운동과 결합하기 위해 고정밀 초도체 마이크로파 공진기를 사용한다.
• 전자 시스템으로서의 이중 차원 운동과 스핀 자유도를 활용한다.
• 공진기의 전자기 모드를 설계하여 전자의 전하 상태와 스핀 상태와 공명적으로 상호작용하도록 한다.
• 헬륨 위에서 전자의 파동함수 국소화를 이용해 디코herence를 최소화하고 결합 강도를 증가시킨다.
• 시스템을 회로 QED 형식으로 모델링하여 결합 속도와 얽힘 시간을 예측한다.
• 광자 교환 동역학을 시뮬레이션하여 전자 상태와 공진기 광자 간의 상호작용 timescale을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초유체 헬륨 위의 단일 전자가 초도체 공진기 모드와 양자 정보 응용을 위해 공명적으로 결합될 수 있는가?
• RQ2 이 플랫폼에서 전자의 운동 상태와 스핀 상태의 실현 가능한 얽힘 시간은 얼마인가?
• RQ3 전하 상태와 스핀 상태에서 전자와 공진기 광자 간의 공명 에너지 교환은 얼마나 빠르게 일어나는가?
• RQ4 이 시스템은 공진기 광자 측정을 통해 전자 상태의 비파괴적 고정밀 측정을 가능하게 하는가?
• RQ5 이 아키텍처에서 공유된 공진기 광자를 통해 떨어진 전자 간의 결합 잠재력은 얼마인가?

주요 결과

• 전자 운동 얽힘 시간은 약 15 마이크로초를 초과하는 것으로 추정되어 장수명 양자 상태임을 시사한다.
• 전자 전하 상태와 공진기 광자 간의 공명 에너지 교환 시간은 10 나노초 이내로 이루어진다.
• 전자 스핀 상태와 공진기 광자 간의 공명 결합 시간은 1 마이크로초 이내로 이루어진다.
• 강한 상호작용 덕분에 공진기 광자 측정을 통해 전자 상태의 비파괴적 측정이 가능해진다.
• 공유된 공진기 광자를 통해 떨어진 전자 간의 상호작용이 가능하여 확장 가능한 양자 네트워크를 구현할 수 있다.
• 이 플랫폼는 장수명 얽힘 시간과 빠르고 공명적인 상호작용을 동시에 구현하여, 양자 정보 처리에 매우 유망한 잠재력을 지닌다.