[논문 리뷰] Coherent oscillations between classically separable quantum states of a superconducting loop

Vladimir Manucharyan, Jens Koch외 3명|ArXiv.org|2009. 10. 16.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 29인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초전도체 플럭스온 큐비트에서 고전적으로 분리된 플럭스 상태 간에 일관된 거시적 양자 진동을 실험적으로 구현하였으며, 고유성(inductance)을 높이고 새로운 분산 읽기 방식을 도입함으로써 풀러 효과(Purcell effect)를 피하여 580의 고조화 품질 인자(coherence quality factor)를 달성하였다. 이 시스템은 최소한의 비편파화를 보이며, 피크 주파수가 1GHz 이하인 진동을 나타내어 거시적 양자 조화(macroscopic quantum coherence)가 견고하고 재설정 가능한 큐비트 플랫폼에서 성립됨을 입증하였다.

ABSTRACT

Ten years ago, coherent oscillations between two quantum states of a superconducting circuit differing by the presence or absence of a single Cooper pair on a metallic island were observed for the first time. This result immediately stimulated the development of several other types of superconducting quantum circuits behaving as artificial atoms, thus bridging mesoscopic and atomic physics. Interestingly, none of these circuits fully implements the now almost 30 year old proposal of A. J. Leggett to observe coherent oscillations between two states differing by the presence or absence of a single fluxon trapped in the superconducting loop interrupted by a Josephson tunnel junction. This phenomenon of reversible quantum tunneling between two classically separable states, known as Macroscopic Quantum Coherence (MQC), is regarded crucial for precision tests of whether macroscopic systems such as circuits fully obey quantum mechanics. In this article, we report the observation of such oscillations with sub-GHz frequency and quality factor larger than 500. We achieved this result with two innovations. First, our ring has an inductance four orders of magnitude larger than that considered by Leggett, combined with a junction in the charging regime, a parameter choice never addressed in previous experiments. Second, readout is performed with a novel dispersive scheme which eliminates the electromagnetic relaxation process induced by the measurement circuit (Purcell effect). Moreover, the reset of the system to its ground state is naturally built into this scheme, working even if the transition energy is smaller than that of temperature fluctuations. As we argue, the MQC transition could therefore be, contrary to expectations, the basis of a superconducting qubit of improved coherence and readout fidelity.

연구 동기 및 목표

• A.J. 레거넷이 제안한 바와 같이 초전도 링에서 고전적으로 분리된 두 양자 상태 간의 거시적 양자 조화(MQC)를 실현하고 관측하는 것.
• MQC 시스템에서의 두 주요 비편파화 문제, 즉 (i) 측정 회로에 의한 감쇠(Purcell 효과)와 (ii) 링 내의 플럭스 노이즈를 극복하는 것.
• 공간적으로 분리된 플럭스 상태 간에 장수명의 일관된 진동을 가능하게 하는 초전도 큐비트 아키텍처를 개발하는 것.
• 조화를 유지하면서 고정밀 초기화 및 측정이 가능한 읽기 및 재설정 메커니즘을 제공하는 것.

제안 방법

• 이전의 RF-SQUID 실험보다 네 개의 차수 더 큰 인덕턴스를 가진 플럭스온 큐비트를 설계하여 외부 플럭스 노이즈에 대한 민감도를 감소시켰다.
• 소규모 조셉슨 접합을 충전 영역에서 작동시켜 터널링 주파수를 최소화하고 상태의 분리도를 향상시켰다.
• 고품질 인덕턴스(고유성 Q ≈ 400)를 가진 전송선 공진기를 사용하여 전자기적 재분해 및 풀러 감쇠를 피하는 분산 읽기 방식을 구현하였다.
• 인터디지티드 커패시터를 사용하여 큐비트와 공진기 간의 강한, 조절 가능한 결합을 실현하였으며, 결합 강도 g ≈ 2π × 135 MHz를 달성하였다.
• 큐비트를 기본 상태로 초기화하기 위해 리셋 펄스를 적용하였으며, 분산 읽기 메커니즘 자체에 자연스러운 리셋 기능이 내장되어 있었다.
• 두 개의 π/2 펄스 사이에 자유 진동 시간을 두어 |L⟩ 및 |R⟩ 상태 간의 진동을 관측함으로써 MQC 조화를 라미의 간섭을 통해 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적으로 분리된 두 플럭스 상태 간의 일관된 진동이 최소한의 비편파화를 보이는 초전도 링에서 관측될 수 있는가?
• RQ2 고정밀 읽기 및 리셋을 유지하면서도 초전도 큐비트에서 풀러 효과를 피할 수 있는가?
• RQ3 고인덕턴스, 저터널링 주파수 플럭스온 큐비트 아키텍처가 플럭스 노이즈 및 환경 결합에 의한 비편파화를 억제하는가?
• RQ4 이러한 시스템에서 MQC 진동의 실제 조화 시간은 얼마이며, 이론적 노이즈 제한 예측과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 이 시스템은 거시적 시스템에서 양자역학의 한계를 시험하기 위한 견고한 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 시간 영역에서 왼쪽 및 오른쪽 플럭스 상태 |L⟩ 및 |R⟩ 간의 일관된 진동이 관측되었으며, 라미의 간섭 무늬의 감쇠 시간은 T_Ramsey = 250 ns였다.
• 조화 품질 인자는 측정 결과 Q_MQC = T_Ramsey × ω_01 = 580로 나타나 일반적인 초전도 큐비트보다 훨씬 높았다.
• 측정된 조화 시간(250 ns)은 5 μs를 초과하는 릴랙세이션 시간 T_1보다 훨씬 짧았으며, 에너지 릴랙세이션 외의 주요 비편파화 채널이 존재함을 시사했다.
• 일반적인 플럭스 노이즈 수준(1 Hz에서 10⁻⁶ Φ₀/Hz¹/²)과 임계 전류 노이즈(1 Hz에서 10⁻⁶ I₀/Hz¹/²)에도 불구하고 예측된 조화 시간은 10 ms를 초과하여, 설명되지 않은 비편파화 메커니즘이 존재함을 시사했다.
• 시스템의 조화는 반 플럭스 양자점(Φ_ext = Φ₀/2)에서 멀어질수록 향상되었으며, 이는 인덕턴스의 도함수 dω₀₁/dL가 Φ_ext = Φ₀/2에서 최소임을 나타낸다.
• 큐비트의 저전이 주파수(sub-GHz)와 견고한 리셋 능력 덕분에 나노기계 시스템 및 향후 토폴로지 큐비트 아키텍처와의 결합이 가능할 것으로 기대된다.