[논문 리뷰] Josephson-Junction Qubits and the Readout Process by Single-Electron Transistors

Yuriy Makhlin, Gerd Schoen외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 11. 03.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 저용량 조지프슨 접합을 기반으로 한 초전도 큐비트를 위한 확장 가능한 아키텍처를 제안하며, 쿠퍼 쌍의 전하에 의해 양자 상태가 인코딩된다. 단일 전자 트랜지스터(SET)가 용량 결합을 통해 큐비트 상태를 측정할 수 있음을 보여주며, 특성 시간 스케일 이후 측정 정밀도를 달성하면서도 초기화 및 게이트 연산 중에 위상 일관성을 유지한다.

ABSTRACT

Several physical realizations of quantum bits have been proposed. Of those, nano-electronic devices appear most suitable for large-scale integration and potential applications. We suggest to use low-capacitance Josephson junctions, exploiting the coherence of tunneling in the superconducting state combined with the possibility to control individual charges by Coulomb blockade effects (cond-mat/9706016,cond-mat/9808067). These systems constitute quantum bits, with logical states differing by one Cooper-pair charge. Single- and two-bit operations can be performed by applying a sequence of gate voltages. The phase coherence time is sufficiently long to allow a series of these steps. In addition to the manipulation of qubits the resulting quantum state has to be read out. This can be accomplished by coupling a single-electron transistor capacitively to the qubit (cond-mat/9801125). To describe this quantum measurement process we study the time evolution of the density matrix of the coupled system. Only when a transport voltage is turned on, the transistor destroys the phase coherence of the qubit; in this case within a short time. The measurement is accomplished after a longer time scale, when the signal resolves the different quantum states. At still longer times the measurement process itself destroys the information about the initial state. We present a suitable set of system parameters, which can be realized by present-day technology.

연구 동기 및 목표

• 나노전자 장치를 사용한 확장 가능하고 통합 가능한 양자 컴퓨팅 아키텍처 개발.
• 초전도 큐비트에서 양자 상태를 측정하면서 조기 위상 일관성을 파괴하지 않는 문제 해결.
• 단일 전자 트랜지스터(SET)를 통해 고정밀도, 비파괴적인 큐비트 상태 읽기 기능을 갖춘 시스템 설계.
• 기존 제조 기술과 호환되는 실험적으로 실현 가능한 파rameter 식별.
• 시간에 따라 변화하는 밀도 행렬 역학을 사용한 결합된 큐비트-SET 시스템에서의 양자 측정 과정 모델링.

제안 방법

• 저용량 조지프슨 접합을 사용해 쿠퍼 쌍 하나의 차이로 구분되는 전하 큐비트를 실현.
• 정밀하게 시간 조절된 게이트 전압 펄스를 통해 단일 및 이중 큐비트 연산을 구현.
• 큐비트를 단일 전자 트랜지스터(SET)와 용량 결합하여 전하 기반 읽기 기능을 구현.
• 측정 중의 시간 진화를 시뮬레이션하기 위해 밀도 행렬 형식을 사용해 결합된 큐비트-SET 시스템을 모델링.
• 세 가지 시간 영역에서 측정 과정 분석: 초기 위상 일관성 유지, 신호 해상도 확보, 측정 반작용으로 인한 위상 분해.
• 기존 기술로 실현 가능한 최적의 시스템 파rameter(예: 터널링 비율, 용량, 게이트 전압) 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조지프슨 접합 기반 전하 큐비트는 게이트 전압 펄스를 통해 위상 일관성 있게 제어될 수 있는가?
• RQ2 단일 전자 트랜지스터(SET)에의 결합은 초전도 큐비트의 위상 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 조기 위상 분해 없이 SET를 통해 큐비트 상태를 성공적으로 읽는 데 필요한 시간 스케일은 무엇인가?
• RQ4 측정 과정 자체가 초기 큐비트 상태에 대한 정보를 어느 순간에 파괴하는가?
• RQ5 긴 위상 일관성 시간과 신뢰성 있고 고정밀도의 읽기 사이의 균형을 이루는 데 필요한 장치 파rameter는 무엇인가?

주요 결과

• 큐비트는 게이트 연산의 일련의 순서를 지원할 수 있을 정도로 충분한 위상 일관성 시간을 유지한다. 이는 보편적인 양자 논리 연산을 가능하게 한다.
• 단일 전자 트랜지스터(SET)는 특성 시간 스케일 이후 큐비트의 양자 상태를 해상할 수 있으며, 성공적인 측정이 가능하다.
• 측정 유도 위상 분해는 더 긴 시간에 발생하여, 읽기 이후 정보 유지 기간을 제한한다.
• 시스템은 위상 일관성 유지(초기 단계), 신호 형성(측정), 위상 분해(최종 상태 손실) 사이에 명확한 시간적 분리를 보인다.
• 기존 나노재료 공정 기술로 실현 가능한 실험적으로 실현 가능한 파rameter 조합(예: 터널링 행렬 원소, 용량, 게이트 전압)을 식별하였다.
• 밀도 행렬 분석은 측정의 初기 단계에서 측정 과정이 비파괴적임을 확인하며, 읽기 이전의 위상 일관성 제어를 가능하게 한다.