[논문 리뷰] Continuous Generation and Stabilization of Mesoscopic Field Superposition States in a Quantum Circuit

Ananda Roy, Zaki Leghtas외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 04.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 공진자에서 메조스코픽 슈뢰딩거 고양이 상태를 지속적으로 생성하고 자동으로 안정화하는 소산성 공학 기반 양자 회로 설계를 제안한다. 두 포톤 드라이브/소산성 배치와 킬러 효과에 의한 주파수 분리 특성을 이용한 파리티 선택적 공학 배치를 조합함으로써, 단일 짝수 고양이 상태 |C+_α⌊을 안정화하여 단일 포톤 손실에 의한 디코herence를 억제하고, 양자 정보 처리를 위한 결정론적이고 지속적인 비고전적 상태 준비를 가능하게 한다.

ABSTRACT

While dissipation is widely considered as being harmful for quantum coherence, it can, when properly engineered, lead to the stabilization of non-trivial pure quantum states. We propose a scheme for continuous generation and stabilization of Schr\"{o}dinger cat states in a cavity using dissipation engineering. We first generate non-classical photon states with definite parity by means of a two-photon drive and dissipation, and then stabilize these transient states against single-photon decay. The single-photon stabilization is autonomous, and is implemented through a second engineered bath, which exploits the photon number dependent frequency-splitting due to Kerr interactions in the strongly dispersive regime of circuit QED. Starting with the Hamiltonian of the baths plus cavity, we derive an effective model of only the cavity photon states along with analytic expressions for relevant physical quantities, such as the stabilization rate. The deterministic generation of such cat states is one of the key ingredients in performing universal quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 연속 변수를 사용하는 유니버설 양자 계산에 필수적인 비고전적 슈뢰딩거 고양이 상태를 회로 QED에서 강건하고 연속적으로 생성 및 안정화할 수 있는 방법을 개발한다.
• 필연적인 단일 포톤 손실으로 인해 발생하는 고양이 상태의 디코herence 문제를 해결한다. 이로 인해 고양이 상태는 통계적 혼합 상태로 붕괴된다.
• 활동적 피드백이나 측정 기반 보정이 필요 없는, 공학적 시스템-배치 상호작용을 이용한 자율적 안정화 프로토콜을 구현한다.
• 지속파 마이크로파 드라이브와 기존의 회로 QED 구성 요소만을 사용하여 확장 가능하고 실험적으로 실현 가능한 설계를 한다. 이는 현재 초전도 큐비트 기술과 호환된다.

제안 방법

• 두 포톤 소산성 배치를 공학하여, 포톤 손실이 짝수 또는 홀수 포톤 수 파리티를 유지하도록 선택적으로 허용함으로써 고양이 상태를 안정화한다.
• 두 번째로 공학된 배치를 도입하여, 강한 분산 영역에서의 킬러 상호작용을 통해 홀수에서 짝수 고양이 상태로의 파리티 선택적 붕괴를 유도한다.
• 아디아바틱 제거를 활용하여 저장 공진자에 대한 효과적인 마스터 방정식을 유도함으로써, 전체 3모드 시스템을 해석적으로 유도된 붕괴 및 상호작용률을 갖는 다루기 쉬운 모델로 축소한다.
• 트랜스몬 큐비트가 두 개의 저-Q 읽기 공진자에 결합되어 발생하는 포톤 수 의존 주파수 분리를 활용하여, 파리티 선택적 소산을 실현한다.
• 단일 포톤 붕괴율(κ1ph)이 공학된 두 포톤(κ2ph) 및 파리티 선택적(κps) 붕괴율보다 훨씬 작게 설계하여, 원하는 역학이 지배하도록 한다.
• 고정된 주파수와 진폭의 지속파 마이크로파 드라이브를 사용하여 필요한 두 포톤 드라이브와 공학적 소산을 실현함으로써, 측정이 없는 자율적 안정화 프로토콜을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활동적 피드백 없이도 초전도 회로에서 메조스코픽 초위상 상태(슈뢰딩거 고양이 상태)를 연속적으로 생성하고 안정화할 수 있는가?
• RQ2 단일 포톤 손실이 고양이 상태의 주요 디코herence 채널이지만, 공학적 소산만으로 이를 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ3 포톤 수 의존 주파수 분리는 어떻게 파리티 선택적 소산을 가능하게 하고 단일 고양이 상태를 안정화하는 데 기여하는가?
• RQ4 두 포톤 과정과 파리티 선택적 붕괴의 조합이 통계적 혼합 상태가 아닌 유일한 정상 상태 고양이 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ5 현재 초전도 양자 회로에서의 실현 가능성과 강건성에 적합한 매개변수 영역(예: 붕괴율, 결합 강도 등)은 무엇인가?

주요 결과

• 두 포톤 소산성 배치와 파리티 선택적 배치를 조합함으로써, 단일 짝수 슈뢰딩거 고양이 상태 |C+_α⌊이 정상 상태로 안정화되며, 단일 포논 손실에 의한 디코herence가 억제된다.
• 원하는 고양이 상태에 대한 효과적인 안정화율은 아디아바틱 근사 하에서 해석적으로 유도되었으며, 수치 시뮬레이션을 통해 목표 상태로의 수렴이 확인되었다.
• κ1ph = 1, κ2ph = 250κ1ph, κps = 120κ1ph, ϵr1 = 1000κ1ph와 같은 매개변수 조합에서는 모델 축소가 전체 3모드 역학을 정확히 재현하며, 효과적 기술의 타당성을 검증한다.
• 드라이브 진폭의 변동에 대해 강건하며, 드라이브 위상과 무관하여 결정론적이고 연속적인 작동이 가능하다.
• 공진자 붕괴율, 결합 강도, 드라이브 진폭 등 요구되는 매개변수들은 현재의 회로 QED 실험에서 구현 가능하며, κr1 = κr2 = 1000κ1ph 및 χsr2 = 2.5 × 10^4κ1ph는 실험적으로 실현 가능한 수준이다.
• 이 설계의 단순한 수정을 통해 홀수 고양이 상태 |C-α⌊도 안정화할 수 있으며, 이는 짝수 및 홀수 파리티 상태 모두에 일반적으로 적용 가능한 접근법임을 보여준다.