[논문 리뷰] Cryogenic microwave link for quantum local area networks

W. K. Yam, Michael Renger외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 23.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 6.6 m 떨어진 두 개의 유탐 냉각기 사이를 연결하는 냉각된 마이크로파 양자 링크를 구현하여, 최대 1 K의 온도에서 견고한 이중 모드 압축 양자 얽힘 분포를 가능하게 한다. 시스템은 초전도성 코axial 전송선로와 냉각된 증폭기를 사용하여 양자 중첩을 유지하며, 실험적으로 변동-소산 정리의 타당성을 검증하고, 확장 가능한 분산 초전도 양자 계산 네트워크의 기반을 마련한다.

ABSTRACT

Scalable quantum information processing with superconducting circuits is expected to advance from individual processors located in single dilution refrigerators to more powerful distributed quantum computing systems. The realization of hardware platforms for quantum local area networks (QLANs) compatible with superconducting technology is of high importance in order to achieve a practical quantum advantage. Here, we present a fundamental prototype platform for a microwave QLAN based on a cryogenic link connecting two separate dilution cryostats over a distance of $6.6$ m with a base temperature of $52$ mK in the center. Superconducting microwave coaxial cables are employed to form a quantum communication channel between the distributed network nodes. We demonstrate the continuous-variable entanglement distribution between the remote dilution refrigerators in the form of two-mode squeezed microwave states, reaching squeezing of $2.10 \pm 0.02$ dB and negativity of $0.501 \pm 0.011$. Furthermore, we show that quantum entanglement is preserved at channel center temperatures up to $1$ K, paving the way towards microwave quantum communication at elevated temperatures. Consequently, such a QLAN system can form the backbone for future distributed quantum computing with superconducting circuits.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서와 호환되는 양자 국소망(QLAN)의 하드웨어 플랫폼을 개발하기 위해.
• 별도의 유탐 냉각기 간에 장거리로 일관된 마이크로파 기반의 양자 통신을 가능하게 하기 위해.
• 실제 열 조건 하에서 냉각된 마이크로파 전송 채널 내에서 양자 얽힘을 유지하기 위해.
• 1 K까지의 온도에서의 양자 얽힘의 견고성 측정을 통해 초전도 마이크로파 링크에서의 변동-소산 정리를 실험적으로 검증하기 위해.
• 마이크로파 주파수 기반의 양자 링크를 활용한 확장 가능하고 모듈러한 분산 양자 계산 아키텍처를 구축하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 유탐 진공기체 사이를 6.6 m 떨어져 있는 초전도성 코axial 마이크로파 전송선로를 사용하여, 두 개의 유탐 진공기체 간의 양자 통신 채널을 구현하였다.
• 각 끝단에 조셉슨 파라메트릭 증폭기(JPA)를 사용하여 5.65 GHz에서 이중 모드 압축 상태를 생성하고 검출하였다.
• 냉각된 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 증폭기와 실온에 위치한 증폭기를 사용하여 신호를 증폭하면서 추가 노이즈를 최소화하였다.
• 가열 가능한 30 dB 감쇠기를 자기 캘리브레이션된 흑체 소스로 사용하여, 플랑크 스펙트로스코피를 통해 광자 수를 캘리브레이션하였다.
• Wigner 함수 특성화를 위해, 4차까지의 모멘트를 사용한 기준 상태 재구성 기법을 통해 양자 상태 재구성을 수행하였다. 이는 가우시안 상태를 가정한 것이다.
• 펌프 주파수는 신호 주파수의 두 배인 ωp = 2ω0로 설정되었으며, 10 MHz 루비듐 표준이 모든 마이크로파 및 디지털 구성 요소를 동기화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6.6 m 거리에 떨어진 초전도 양자 프로세서 간의 냉각된 마이크로파 링크가 얽힘을 유지할 수 있는가?
• RQ2 링크 온도를 1 K로 높였을 때, 얽힘 분포의 견고성은 어느 정도 유지되는가?
• RQ3 관측된 얽힘 품질의 온도 의존성이 변동-소산 정리를 초전도 마이크로파 시스템에 적용할 수 있음을 검증하는가?
• RQ4 모듈러하고 냉각된 마이크로파 링크가 분산 양자 계산 아키텍처의 확장 가능한 기반으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 초전도 전송선로와 HEMT 증폭기를 사용한 냉각된 마이크로파 링크의 성능은 양자 상태 품질과 노이즈 특성 측면에서 어떠한가?

주요 결과

• 시스템은 중심 온도가 52 mK인 6.6 m 냉각된 마이크로파 링크를 통해 이중 모드 압축 양자 얽힘 분포를 성공적으로 구현하였다.
• 링크 온도를 1 K로 높였을 때도 얽힘이 유지되고 측정 가능했으며, 열 변동에 대한 견고성을 확인하였다.
• 관측된 얽힘 품질의 온도 의존성이 변동-소산 정리의 예측과 일치하여, 이 정리가 해당 시스템에 적용 가능함을 검증하였다.
• 플랑크 스펙트로스코피를 통한 광자 수 캘리브레이션을 통해 측정된 전압을 직접 냉각된 광자 수로 변환할 수 있었으며, 정확한 상태 재구성 보장을 받았다.
• 4차 모멘트까지의 기준 상태 재구성 기법을 통해 생성된 상태의 가우시안 성격을 확인하였고, 고차 누적량이 0에 수렴함으로써 가우시안 근사가 타당함을 뒷받침하였다.
• 전체 시스템은 10 MHz 루비듐 주파수 표준을 통해 동기화되어, 모든 마이크로파 및 디지털 구성 요소에서 안정된 운영을 보장하였다.