[논문 리뷰] Introduction to Experimental Quantum Measurement with Superconducting Qubits

Mahdi Naghiloo|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 19.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 96인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 실험적 시각에서 초전도 큐비트에서의 양자 측정에 대한 교육적인 소개를 제공하며, 연속적인 약한 측정 역학에 초점을 맞춘다. 이는 약한 측정이 개방된 양자 시스템에서 기본적인 양자 역학적 동역학과 열역학을 탐구하는 데 기여하며, 확장 가능한 양자 회로에서 디코herence와 측정의 반작용을 연구하는 유연한 도구를 제공함을 보여준다.

ABSTRACT

Quantum technology has been rapidly growing due to its potential revolutionary applications. In particular, superconducting qubits provide a strong light-matter interaction as required for quantum computation and in principle can be scaled up to a high level of complexity. However, obtaining the full benefit of quantum mechanics in superconducting circuits requires a deep understanding of quantum physics in such systems in all aspects. One of the most crucial aspects is the concept of measurement and the dynamics of the quantum systems under the measurement process. This document is intended to be a pedagogical introduction to the concept of quantum measurement from an experimental perspective. We study the dynamics of a single superconducting qubit under continuous monitoring. We demonstrate that weak measurement is a versatile tool to investigate fundamental questions in quantum dynamics and quantum thermodynamics for open quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트에서의 양자 측정에 대한 종합적인 실험적 소개를 제공하는 것.
• 연속적인 약한 측정 하에서 단일 초전도 큐비트의 역학을 조사하는 것.
• 약한 측정이 개방된 양자 시스템의 양자 열역학과 시스템 역학을 탐구하는 데 어떻게 활용될 수 있는지 보여주는 것.
• 초전도 회로에서의 양자 측정 이론적 개념과 실험적 구현 간의 다리를 놓는 것.

제안 방법

• 실시간으로 단일 초전도 큐비트를 모니터링하기 위해 연속적인 약한 측정 프로토콜을 활용한다.
• 강한 빛-물질 결합을 달성하기 위해 회로 양자 전기역학(cQED) 아키텍처를 사용한다.
• 스토하스틱 마스터 방정식을 사용하여 측정의 반작용과 상태 붕괴 역학을 분석한다.
• 연속적인 신호 획득을 위해 분산적 큐비트 읽기 및 동조 검출 기법을 적용한다.
• 큐비트를 측정 필드와 상호작용하는 개방된 양자 시스템으로 모델링하여 디코herence와 정보 획득을 연구할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적인 약한 측정은 초전도 큐비트의 양자 상태 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 지속적인 관찰 중에 측정의 반작용은 큐비트의 역학에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 약한 측정을 어떻게 활용하여 개방된 양자 시스템에서의 양자 열역학을 탐구할 수 있는가?
• RQ4 초전도 회로에서의 실험 데이터에서의 양자 측정의 징후는 무엇인가?

주요 결과

• 약한 측정은 초전도 큐비트의 연속적인 모니터링을 가능하게 하여 비마르코프 역학과 측정의 반작용 효과를 드러낸다.
• 시스템은 양자 마스터 방정식 예측과 일치하는 측정 가능한 상태 붕괴와 확률적 궤적 진화를 나타낸다.
• 측정에 의해 유도된 반작용이 큐비트의 공명과 에너지 완화율에 영향을 준다는 것이 관측되었다.
• 실험적 설정은 약한 측정을 사용하여 양자 시스템의 동역학에 대한 정보를 추출하는 데의 가능성을 성공적으로 시현하였다.