[논문 리뷰] Generation of Microwave Single Photons and Homodyne Tomography on a Chip

M. Mariantoni, M. J. Storcz외 7명|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 공진기와 결합된 준안정 상태의 플럭스 기반 큐비트를 사용하여 정적이고 전파되는 마이크로파 단일 광자를 결정적으로 생성하기 위한 라만 여기(excitation) 방식을 제안한다. 또한, 노이즈가 있는 증폭기 조건에서도 정밀한 양자장 관측량 측정이 가능한 새로운 마이크로파 동일혼변 기술을 도입하여, 마이크로파 광자에 대한 칩 내 양자 상태 공학 및 단층 촬영 기술을 발전시킨다.

ABSTRACT

We propose a method to couple metastable flux-based qubits to superconductive resonators based on a quantum-optical Raman excitation scheme that allows for the deterministic generation of stationary and propagating microwave Fock states and other weak quantum fields. Moreover, we introduce a suitable microwave quantum homodyne technique, with no optical counterpart, that enables the measurement of relevant field observables, even in the presence of noisy amplification devices.

연구 동기 및 목표

• 초전도 회로를 이용한 마이크로파 포크 상태의 결정적 생성을 가능하게 하기 위해.
• 증폭기 노이즈 존재 조건에서 약한 마이크로파 양자장을 정확하게 측정하는 데 도전하는 데.
• 제어된 광자 방출을 위해 플럭스 기반 큐비트를 공진기와 연결하기 위한 양자광학적 라만 방식을 개발하기 위해.
• 광학적 대응이 없는 마이크로파 전용 동일혼변 기술을 도입하여 장 상태 재구성 가능하게 하기 위해.
• 확장 가능한 칩 내 마이크로파 장의 양자 상태 공학 및 측정을 실현하기 위해.

제안 방법

• 준안정 상태의 플럭스 큐비트와 초전도 공진기 사이의 인구를 조작적으로 이동시키기 위해 양자광학적 라만 여기 방식을 활용한다.
• 단일 마이크로파 광자를 생성하기 위해 중간 상태로 사용되는 준안정 상태의 플럭스 기반 큐비트를 활용한다.
• 초전도 회로에 특화된 마이크로파 동일혼변 측정 프로토콜을 설계하여 장의 분리량 측정이 가능하게 한다.
• 측정 체인 내 증폭기 노이즈가 존재하더라도 정밀도를 유지하기 위해 노이즈에 강건한 측정 기술을 통합한다.
• 확장 가능한 양자 정보 처리를 위해 광자 생성 및 측정 프로토콜을 동일 칩에 통합한다.
• 큐비트-공진기 상호작용의 양자 제어에 의존하여 고정밀도로 포크 상태를 생성하고 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라만 여기 방식을 통해 초전도 회로에서 마이크로파 단일 광자를 결정적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 노이즈가 있는 장치에 의해 증폭된 약한 마이크로파 양자장을 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 광학적 대응이 없는 마이크로파 주파수 전용 동일혼변 측정 기술을 구현할 수 있는가?
• RQ4 광자 생성 및 단층 촬영의 칩 내 통합이 확장 가능한 양자 상태 공학을 가능하게 하는가?
• RQ5 준안정 상태의 플럭스 큐비트는 마이크로파 포크 상태의 인위적이고 제어 가능한 방출을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제안된 라만 방식은 제어된 큐비트-공진기 결합을 통해 정적이고 전파되는 마이크로파 포크 상태의 결정적 생성이 가능하다.
• 노이즈가 있는 증폭 조건에서도 장 관측량 측정이 가능한 새로운 마이크로파 동일혼변 기술이 개발되었다.
• 이 방법은 마이크로파 장에 대한 광자 생성 및 양자 상태 단층 촬영의 칩 내 구현을 지원한다.
• 이 방식은 초전도 양자 회로와 호환되며 고정밀도 상태 준비 및 측정을 가능하게 한다.
• 동일혼변 기술에 광학적 대응이 없는 점은 마이크로파 양자 광학에 대해 이 기술이 유일하게 적합함을 강조한다.
• 이 틀은 오직 마이크로파 구성 요소만을 사용하여 확장 가능한 양자 상태 공학을 실현하며, 통합 양자 기술의 발전에 기여한다.