[논문 리뷰] Coherent control of a superconducting qubit using light

Hana K. Warner, Jeffrey Holzgrafe외 16명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 24.

Quantum Information and Cryptography인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 얇은 필름 리튬 나이오베이트 커패시티 전기광 트랜스듀서를 사용한 초전도 큐비트의 일관된 광학 제어를 입증하며, 변환 효율 1.18%와 광학적으로 구동된 큐비트 라비 진동이 2.27 MHz로 나타났고 큐비트 코히런스가 저하되지 않았다.

ABSTRACT

Quantum communications technologies require a network of quantum processors connected with low loss and low noise communication channels capable of distributing entangled states. Superconducting microwave qubits operating in cryogenic environments have emerged as promising candidates for quantum processor nodes. However, scaling these systems is challenging because they require bulky microwave components with high thermal loads that can quickly overwhelm the cooling power of a dilution refrigerator. Telecommunication frequency optical signals, meanwhile, can be fabricated in significantly smaller form factors while avoiding challenges due to high signal loss, noise sensitivity, and thermal loads due to their high carrier frequency and propagation in silica optical fibers. Transduction of information via coherent links between optical and microwave frequencies is therefore critical to leverage the advantages of optics for superconducting microwave qubits, while also enabling superconducting processors to be linked with low-loss optical interconnects. Here, we demonstrate coherent optical control of a superconducting qubit. We achieve this by developing a microwave-optical quantum transducer that operates with up to 1.18% conversion efficiency with low added microwave noise, and demonstrate optically-driven Rabi oscillations in a superconducting qubit.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트를 광학 광자와 인터페이스하여 원거리 양자 네트워크 및 냉각 시스템의 열 부하 감소를 가능하게 하려는 동기를 부여한다.
• 박막 리튬 나이오베이트에서 코히런트하게 무선-광학 에너지 교환을 매개하는 캐비티 전기광 트랜스듀서를 개발하고 특성화한다.
• 광학적으로 구동된 큐비트 제어를 입증하고 큐비트 코히런스 시간과 읽기 정확도를 보존한다.
• 트랜스듀서-큐비트 인터페이스 성능을 평가하고 광학 채널을 통한 네트워크화된 양자 프로세서 노드로의 경로를 논의한다.]
• method:[
• Nb 마이크로파 LC 공진기에 두 개의 하이브리드화된 리튬 나이오베이트 광학 래스터 레조네이터를 결합한 삼중 공진 마이크로파-광 트랜스듀서를 구현한다.
• 적색 모드의 강한 광 펌프와 청색 모드의 아이들로 차이 주파수 생성(difference-frequency generation)을 구동하여 큐비트 주파수에서의 마이크로파 톤을 얻는다.
• 초전도 큐비트를 읽기 레조나이터에 디스퍼시브 결합하고 큐비트 상태를 실온에서 읽어낸다.
• 마이크로파-광 및 광-마이크로파 변환에서 칩 온 칩 변환 효율과 협력도(cooperativity)를 측정한다.
• 펄스 광 구동을 수행하여 큐비트를 구동하는 마이크로파 펄스를 생성하고 파워 및 시간 영역의 라비 진동을 특성화한다.
• 트랜스듀서 작동이 큐비트 코히런스 시간과 읽기 정확도에 미치는 영향을 분석한다.

제안 방법

• Implement a triply-resonant microwave-optical transducer using a Nb microwave LC resonator coupled to two hybridized lithium niobate optical racetrack resonators.
• Use a strong optical pump at the red mode and an optical idler at the blue mode to drive difference-frequency generation that yields a microwave tone at the qubit frequency.
• Dispersively couple the superconducting qubit to a readout resonator and perform room-temperature readout of the qubit state.
• Measure on-chip conversion efficiency and cooperativity from the microwave-to-optical and optical-to-microwave conversions.
• Perform pulsed optical driving to generate microwave pulses that drive the qubit and characterize power and time-domain Rabi oscillations.
• Analyze the impact of transducer operation on qubit coherence times and readout fidelity.

Fig. 1: Transducer-driven superconducting qubit scheme. (a) Two optical fields ( $\omega_{\pm}$ ) are coupled into the transducer via a waveguide. The two modes are resonant with the transducer’s hybridized optical modes which are generated by a coupled paperclip resonator capacitively coupled ( $C_

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇은 필름 전기광 트랜스듀서가 마이크로웨이브와 광학 도메인 간에 충분한 성능으로 초전도 큐비트를 구동할 만큼의 응집적 변환을 coherently 수행할 수 있는가?
• RQ2 삼중 공진 CEO-MOQT가 초전도 큐비트와 결합되었을 때 달성 가능한 변환 효율, 협력도(cooperativity), 대역폭은 무엇인가?
• RQ3 광학적으로 구동된 큐비트 제어가 큐비트 코히런스 시간과 읽기 성능을 기존 RF 제어와 비교해 보존하는가?
• RQ4 이러한 트랜스듀서를 이용해 광 채널로 네트워크화된 양자 프로세서 노드를 구축하기 위한 전망과 요건은 무엇인가?

주요 결과

• 온칩 마이크로파-광 및 광-마이크로파 변환 효율이 약 1.18%로 나타났으며 광 펌프 파워 -13.8 dBm에서(온칩 44.2 μW).
• 마이크로파-광 커플링 레이트 g_eo/2π ≈ 945 Hz를 측정했고 협력도(cooperativity)는 최대 1.16%까지 도달했다.
• 광학적으로 구동된 초전도 큐비트의 라비 진동이 2.27 MHz의 라비 주파수와 약 220 ns의 π-펄스 지속시간으로 입증되었다.
• 큐비트 코히런스 시간(T1 ≈ 8 μs, T2* ≈ 800 ns)은 시험된 구간에서 트랜스듀서 작동으로 저하되지 않았다.
• 트랜스듀서 구동 제어가 CW 분광에서 큐비트 선폭 약 645 kHz, 큐비트 주파수 약 3.703 GHz를 유도했고 시간 영역 측정에서 명확한 chevron-type 라비 거동이 나타났다.

Fig. 2: CEO-MOQT. (a) Optical micrograph of transducer. A niobium (Nb) microwave LC resonator (silver) is capacitively coupled to two hybridized lithium niobate racetrack resonators in a paperclip geometry (black) to coherently exchange energy between the microwave and optical domains using the reso