[논문 리뷰] Data from: Optical readout of a superconducting qubit using a piezo-optomechanical transducer

Thierry C. van Thiel, Matthew J. Weaver외 18명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 기계적 결합을 통해 마이크로파 신호를 광신호로 변환하는 완전 통합형 피에조광기계 변환기를 사용하여 초전도 트랜스몬 큐비트의 고해상도, 다중 셰이트 광학적 읽기 기록을 구현한다. 단지 6 μW의 광학적 출력과 200회의 평균만으로도 읽기 정밀도가 99%를 초과하여, 낮은 열 부하와 최소한의 극저온 공간을 요구하는 확장 가능한 저손실 양자 컴퓨팅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Source data for Figures.

연구 동기 및 목표

• 수천 개의 큐비트로 확장되는 초전도 양자 프로세서에서 증가하는 극저온 공간과 열 예산 제약을 해결하기 위해.
• 증폭기, 서큘레이터, 코axial 케이블 등으로 인해 극저온 자원을 많이 소비하는 마이크로파 기반 읽기 체인의 한계를 극복하기 위해.
• 극저온 마이크로파 증폭기가 필요 없는 확장 가능한 섬유 호환 광학적 읽기 플랫폼을 구현하여 초전도 큐비트의 저전력, 고정밀 측정을 가능하게 하기 위해.
• 향후 광학 멀티plexing과 장거리 섬유 기반 제어의 통합을 가능하게 하여 대규모 오류 내성 양자 컴퓨팅을 실현하기 위해.

제안 방법

• 초전도 마이크로파 공진기를 광결정 나노빔 공진기와 통합하여 마이크로파-광학 변환을 매개하는 피에조광기계 변환기를 구현한다.
• 지속광 광학 펌프를 사용하여 광기계 공진기를 구동함으로써, 복사압과 피에조전기 전도를 통해 큐비트의 마이크로파 읽기 신호를 광 영역으로의 업컨버전을 가능하게 한다.
• 코axial 케이블을 통해 변환기를 큐비트 칩에 연결함으로써 전기적 완전 격리 상태를 유지하면서도 단일 섬유를 통한 광신호 전송을 실현한다.
• 양자 제한 마이크로파 증폭기가 필요 없는 파괴적 읽기 기술을 구현하여 큐비트 상태의 정밀도를 측정한다.
• Rabi 진동, 라모어 간섭계, 그리고 다양한 광학 펌프 조건 하에서 큐비트의 비산화 시간(T₁ 및 T₂*)을 측정하여 시스템 성능을 특성화한다.
• 주파수 이격 조절을 통해 신호 대 잡음비를 최적화하고, 광학 펌프가 큐비트 비산화에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전 통합형 피에조광기계 변환기가 극저온 마이크로파 증폭기가 없는 조건에서 초전도 큐비트의 고정밀 광학적 읽기 기록을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 확장 가능한 섬유 기반 아키텍처에서 고정밀 다중 셰이트 읽기 기록을 달성하기 위해 필요한 최소 광학적 출력은 얼마인가?
• RQ3 변환 시스템이 존재하는 조건에서 광학 펌프가 큐비트 비산화 시간(T₁ 및 T₂*)에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 변환기와 큐비트 공진기 사이의 주파수 이격을 얼마나 보완할 수 있는가? 이를 통해 고신호 대 잡음비를 달성할 수 있는가?
• RQ5 주파수 일치와 변환 효율을 추가로 최적화하면 단일 셰이트 광학적 읽기 기록이 가능한가?

주요 결과

• 큐비트에 주입된 광학적 출력이 6 μW에 불과함에도 불구하고, 단지 200회의 평균과 양자 제한 마이크로파 증폭기가 없어도 다중 셰이트 읽기 정밀도가 >0.99에 도달한다.
• 주파수 이격으로 인해 변환 효율이 10배 감소했음에도 불구하고 높은 정밀도를 유지함으로써, 더 나은 일치 조건을 통해 향후 성능 향상 잠재력이 크다는 것을 시사한다.
• 큐비트의 T₁ 시간은 펌프를 끈 상태에서 48.1 ± 14.1 μs에서 펌프를 켠 상태에서 42.4 ± 4.4 μs로 약간 감소했지만, 통계적으로 유의미한 변화는 아니며, 종방향 외부에 미치는 영향이 최소임을 나타낸다.
• 큐비트의 T₂* 시간은 펌프를 끈 상태에서 8.1 ± 0.8 μs에서 펌프를 켠 상태에서 5.2 ± 0.2 μs로 통계적으로 유의미한 감소를 보였으며, 이는 광학 펌프가 횡방향 비산화에 영향을 주지만 관리 가능한 수준임을 시사한다.
• 변환기의 크기는 0.15 mm² 이하로 매우 작아, 수천 개의 큐비트를 동시에 읽기 위한 모듈식 섬유 기반 통합이 가능하며 극저온 부하를 최소화할 수 있다.
• 주파수 일치를 향상시키고 광학 손실을 줄이면 단일 셰이트 광학적 읽기 기록이 가능해질 것으로 기대되며, 이는 확장 가능한 저손실 양자 컴퓨팅을 실현하는 데 기여할 것이다.