[논문 리뷰] Controllable anisotropic quantum Rabi model beyond the ultrastrong coupling regime with circuit QED systems

Yimin Wang, Wen‐Long You외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 24.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 표준 회로 QED 구조에서 플럭스 큐비트에 이색적 시간에 의존하는 자기장 흐름을 적용하여 초강력 결합 영역을 초월한 이방성 양자 라비 모형(AQRM)을 실험적으로 실현하기 위한 회로 QED 기반 방법을 제안한다. 이 방법은 회전하는 항과 반대 회전 항의 결합 상수를 독립적으로 제어할 수 있게 하여 극한의 결합 영역에 접근하고, 슈뢰딩거 고양이 상태와 제어된 위상 게이트와 같은 양자 상태 공학을 가능하게 한다.

ABSTRACT

By manipulating the flux qubits with bichromatic time-dependent magnetic fluxes in standard circuit QED systems, we propose an experimentally-accessible method to approach the physics of the anisotropic quantum Rabi model (AQRM) in broad parameter ranges, where the rotating and counter-rotating interactions are governed by two different coupling constants. Assisted by theoretical derivations and numerical calculations, we show that our scheme not only allows for individual control of the parameters in the simulated AQRM but also reproduces the dynamics of the ultrastrong and deep strong coupling regimes. Therefore, our scheme advances the investigation of extremely strong interactions of the AQRM, which are usually experimentally unattainable. Furthermore, associated with the special case of the degenerate AQRM, we demonstrate that our setup may also find applications for protected quantum memory and quantum computation since it can be used to generate the Schr\{o}dinger cat states and the quantum controlled phase gates when scaling up.

연구 동기 및 목표

• 이전에는 도달할 수 없었던 매개변수 영역에서 이방성 양자 라비 모형(AQRM)의 실험적 접근를 확장하는 것.
• 초전도 큐비트 회로 구조에서 회전 항과 반대 회전 항의 결합 강도를 독립적으로 제어하는 것.
• 실험적으로 실현 가능한 방법을 사용하여 초강력 및 깊은 강력 결합 영역에서 AQRM의 역학을 탐구하는 것.
• 상태 공학을 통한 보호된 양자 메모리 및 양자 계산 잠재적 응용을 보여주는 것.

제안 방법

• 이 방법은 표준 회로 QED 아키텍처 내의 플럭스 큐비트에서 결합 상수를 조절하기 위해 이색적 시간에 의존하는 자기장 흐름을 활용한다.
• 이론적 유도와 수치 시뮬레이션을 통해 구동된 시스템을 각기 다른 회전 및 반대 회전 항에 대한 결합 강도를 갖는 AQRM 해밀토니안으로 매핑한다.
• 시스템의 효과적 해밀토니안은 회전 및 반대 회전 상호작용이 두 개의 독립된 결합 상수에 의해 지배되도록 설계된다.
• 이 방법은 초강력 및 깊은 강력 결합 영역을 포함한 광범위한 매개변수 범위로의 조정이 가능하다.
• 이 구조는 확장 가능하며, 슈뢰딩거 고양이 상태와 같은 비고전적 상태의 생성을 지원한다.
• 이 방법은 AQRM의 디지털 극한을 활용하여 양자 제어 위상 게이트를 실현함으로써 양자 계산에 응용할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회로 QED 시스템에서 초강력 결합 영역을 초월한 이방성 양자 라비 모형이 실현될 수 있는가?
• RQ2 초전도 양자 회로에서 회전 및 반대 회전 결합 상수를 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 이 방법에 따라 깊은 강력 결합 영역에서 AQRM의 역학적 성질은 어떠한가?
• RQ4 이 설정은 슈뢰딩거 고양이 상태를 생성하고 양자 제어 위상 게이트를 구현할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 보호된 양자 메모리 및 고장 내성 양자 계산에 적합한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 초강력 및 깊은 강력 결합 영역을 포함한 광범위한 매개변수 영역에서 이방성 양자 라비 모형의 실험적 접근를 가능하게 한다.
• 회전 및 반대 회전 상호작용은 두 개의 별개의 결합 상수에 의해 지배되며, 이로 인해 이들의 독립적 제어가 가능하다.
• 수치 시뮬레이션은 제안된 구동 프로토콜 하에서 AQRM 해밀토니안의 정확한 실현을 확인한다.
• 시스템은 AQRM의 디지털 극한에서 슈뢰딩거 고양이 상태의 생성을 지원한다.
• 시스템을 확장함으로써 양자 제어 위상 게이트를 실현할 수 있으며, 이는 양자 계산 응용에 기여한다.
• 이 방법은 강력 결합된 빛-물질 시스템에서 극한의 양자 상관관계 및 비평형 역학을 연구할 수 있는 실현 가능한 플랫폼을 제공한다.