[논문 리뷰] Hybrid Qubit gates in circuit QED: A scheme for quantum bit encoding and information processing

M. C. de Oliveira|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 06.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 회로 양자전자역학(circuit QED)에서 복합 평면 전송선의 광학적 장 모드에 양자 정보를 인코딩하는 하이브리드 두 큐비트 게이트를 제안한다. 이는 단일 초전도 전하 큐비트와 결합된 것으로, 장의 고온 손실에 대한 내성 덕분에 강력한 양자 정보 저장이 가능하며, 외부 고전적 자장 펄스를 통해 여러 고체 상태 큐비트와의 얽힘을 생성할 수 있다. 이는 양자 계산을 위한 확장 가능하고 실험적으로 실현 가능한 아키텍처를 제공한다.

ABSTRACT

Institute for Quantum Information Science, University of Calgary, Alberta T2N 1N4, Canada(Dated: October 7, 2011)Solid state superconducting devices coupled to coplanar transmission lines offer an exquisite architecturefor quantum optical phenomena probing as well as for quantum computation implementation, being the objectof intense theoretical and experimental investigation lately. In appropriate conditions the transmission lineradiation modes can get strongly coupled to a superconducting device with only two levels -for that reason calledartificial atom or qubit. Employing this system we propose a hybrid two-quantum bit gate encoding involvingquantum electromagnetic field qubit states prepared in a coplanar transmission line capacitively coupled to asingle charge qubit. Since dissipative effects are more drastic in the solid state qubit than in the field one, itcan be employed for storage of information, whose efficiency against the action of an ohmic bath show that thisencoding can be readily implemented with present day technology. We extend the investigation to generateentanglement between several solid state qubits and the field qubit through the action of external classicalmagnetic pulses.

연구 동기 및 목표

• 회로 QED에서 하이브리드 큐비트 인코딩을 활용한 확장 가능한 양자 계산 아키텍처를 개발하기 위해.
• 고체 상태 큐비트의 디코herence 문제를 해결하기 위해 광학적 장 모드의 더 높은 내성 특성을 활용하기 위해.
• 외부 고전적 자장 펄스를 통해 여러 초전도 큐비트와 장 큐비트 사이의 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 제안된 인코딩 방식이 현재의 실험 기술로도 실현 가능하다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 복합 평면 전송선을 사용하여 양자 전자기장 큐비트를 유지하고, 이를 단일 초전도 전하 큐비트와 용량 결합한다.
• 전송선의 복사 모드와 인공 원자(큐비트) 사이의 강한 결합을 활용하여 공명 양자 작동을 가능하게 한다.
• 고체 상태 큐비트에 비해 장 큐비트가 옴스 손실에 더 강건한 특성을 지녀 정보 저장에 유리함을 이용한다.
• 다수의 고체 상태 큐비트와 장 큐비트 사이의 얽힘을 유도하기 위해 외부 고전적 자장 펄스를 적용한다.
• 장 큐비트가 안정적인 양자 메모리로 기능하고, 전하 큐비트가 게이트 작동을 수행할 수 있도록 시스템을 설계한다.
• 초전도 장치와 전송선 공진기를 사용한 회로 QED 아키텍처에 의존하여 하이브리드 게이트를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회로 QED에서 광학적 장 큐비트와 단일 전하 큐비트를 사용하여 하이브리드 두 큐비트 게이트를 실제로 적용할 수 있는가?
• RQ2 장 큐비트가 옴스 손실에 대해 보이는 내성은 고체 상태 큐비트에 비해 양자 정보 저장에 어떻게 향상되는가?
• RQ3 고전적 자장 펄스를 사용하여 여러 고체 상태 큐비트와 장 큐비트 사이의 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 인코딩 방식은 현재의 실험 기술로도 실현 가능한가?
• RQ5 전송선 모드와 인공 원자 간의 강한 결합이 게이트 작동을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 전송선 내 광학적 장 큐비트는 고체 상태 전하 큐비트보다 옴스 배경에 의한 디코herence에 더 강건하여 강력한 양자 정보 저장이 가능하다.
• 하이브리드 게이트 방식을 통해 외부 고전적 자장 펄스를 적용함으로써 다수의 고체 상태 큐비트와 장 큐비트 사이의 얽힘을 생성할 수 있다.
• 제안된 인코딩 방법은 기존의 회로 QED 기술과 호환되어 현재의 실험 설정으로 쉽게 실현 가능하다.
• 전송선 모드와 인공 원자 간의 강한 결합은 양자 계산에 필수적인 공명 양자 작동을 가능하게 한다.
• 시스템 설계는 장 큐비트의 안정성을 활용하여 전체 게이트 정밀도와 양자 정보 처리 아키텍처의 확장성을 향상시킨다.