[논문 리뷰] Engineering Superconducting Phase Qubits

G. Blatter, V. B. Geshkenbeǐn외 1명|ArXiv.org|1999. 12. 09.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 외부 바이어스 없이 자연스럽게 비틀림이 없는 두 상태 시스템을 만드는 데 $π$-접합을 사용하여 초전도 위상 큐비트의 새로운 설계를 제안한다. 단계 스위치를 갖춘 오차 접합 루프를 설계함으로써 저자들은 '조용한' s-파동/d-파동/s-파동 접합과 유사한 거시적 양자 장치를 구현하였으며, 위상적 보호와 환경으로부터의 감소된 결합을 통해 강인한 큐비트 작동을 실현한다.

ABSTRACT

The superconducting phase qubit combines Josephson junctions into superconducting loops and defines one of the promising solid state device implementations for quantum computing. While conventional designs are based on magnetically frustrated superconducting loops, here we discuss the advantages offered by $π$-junctions in obtaining naturally degenerate two-level systems. Starting from a basic five-junction loop, we show how to construct degenerate two-level junctions and superconducting phase switches. These elements are then effectively engineered into a superconducting phase qubit which operates exclusively with switches, thus avoiding permanent contact with the environment through external biasing. The resulting superconducting phase qubits can be understood as the macroscopic analogue of the `quiet' s-wave-d-wave-s-wave Josephson junction qubits introduced by Ioffe {\it et al.} [Nature {\bf 398}, 679 (1999)].

연구 동기 및 목표

• 외부 바이어스로 인한 영구적 환경 결합을 피하는 초전도 위상 큐비트 설계를 개발하기 위해.
• 초전도 루프에서 자연스럽게 비틀림이 없는 두 상태 시스템을 달성하기 위해 $π$-접합을 활용하기 위해.
• 지속적인 외부 제어가 필요 없도록 단지 단계 스위치만을 사용해 큐비트를 설계하기 위해.
• Ioffe 등이 제안한 '조용한' s-파동/d-파동/s-파동 조셉슨 접합 큐비트의 거시적 유사체를 실현하기 위해.
• 외부 자유도와의 결합을 최소화하여 양자 힘의 유지 및 안정성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 기본 접합과 $π$-접합을 모두 포함한 오차 접합 초전도 루프를 설계하여 비틀림이 없는 두 상태 시스템을 생성하기 위해.
• 접합을 가로질러서 발생하는 단계 차이의 간섭 무늬를 이용해 큐비트의 기본 상태 비틀림을 제어하기 위해.
• 외부 전류 또는 플럭스 바이어스를 대체하기 위해 단계 스위치를 주요 제어 수단으로 구현하기 위해.
• 조셉슨 효과와 양자 간섭을 이용해 큐비트를 위상적으로 보호된 상태에 안정화하기 위해.
• 조셉슨 결합 항과 단계에 의존하는 에너지 준위를 포함한 해밀토니안을 사용해 시스템을 모델링하기 위해.
• 기본 상태 비틀림이 외부 과도한 힘에 의해 발생하는 것이 아니라 $π$-접합 대칭성에 의해 자연스럽게 발생한다는 것을 입증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 바이어스 없이 $π$-접합을 사용하여 초전도 루프에서 자연스럽게 비틀림이 없는 두 상태 시스템을 만들 수 있는가?
• RQ2 $π$-접합의 포함이 초전도 위상 큐비트에서 위상적 보호를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 단계 스위치는 큐비트 제어에서 전통적인 외부 바이어스를 어떻게 대체하는가?
• RQ4 이러한 장치의 거시적 거동은 '조용한' s-파동/d-파동/s-파동 조셉슨 접합 큐비트를 모방할 수 있는가?
• RQ5 영구적인 환경 결합의 부재가 큐비트의 양자 힘을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 오차 접합 루프에 $π$-접합을 포함함으로써 대칭성에 의해 내재된 기본 상태 비틀림이 발생하여 외부 자기적 과도한 힘의 필요성을 제거한다.
• 단일 단계 스위치만으로도 큐비트 상태를 완전히 제어할 수 있어 지속적인 외부 바이어스 없이 작동이 가능하다.
• 시스템은 Ioffe 등이 제안한 '조용한' s-파동/d-파동/s-파동 조셉슨 접합 큐비트의 거시적 유사체를 실현한다.
• 큐비트의 비틀림은 위상적으로 보호되어 국소적 환경 변동에 대한 민감도가 감소한다.
• 지속적인 전류 또는 플럭스 바이어스와 관련된 디코herence 경로를 피하는 설계를 실현한다.
• 이론적 분석을 통해 $π$-접합 대칭성 덕분에 작은 외부 자극에 대해 기본 상태 비틀림이 강인하게 유지된다는 것이 확인된다.