[논문 리뷰] Manipulating and probing Majorana fermions using superconducting circuits

J. Q. You, Z. D. Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 18.

Topological Materials and Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트 어레이를 사용하여 마요라나 페르미온을 실현하고 조작하는 것을 제안하며, 체인 끝부분의 쌍이 이루지 않은 마요라나 모드를 통해 마요라나 큐비트를 인코딩한다. 네 큐비트를 사용하여 빈트링을 구현하고, 단일 초전도 큐비트보다 향상된 양자 코herence를 보이며, 토폴로지적 양자 계산을 위한 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

Majorana fermions are long-sought exotic particles that are their own antiparticles. Here we propose to utilize superconducting circuits to construct two superconducting-qubit arrays where Majorana modes can occur. A so-called Majorana qubit is encoded by using the unpaired Majorana modes, which emerge at the left and right ends of the chain in the Majorana-fermion representation. We also show this Majorana qubit in the spin representation and its advantage, over a single superconducting qubit, regarding quantum coherence. Moreover, we propose to use four superconducting qubits as the smallest system to demonstrate the braiding of Majorana modes and show how the states before and after braiding Majoranas can be discriminated.

연구 동기 및 목표

• 토폴로지적 초전도체 체인을 이용해 설계된 초전도 큐비트 어레이에서 마요라나 페르미온을 실현하기 위해.
• 마요라나-페르미온 표현에서 일차원 체인 끝부분의 쌍이 이루지 않은 마요라나 모드를 사용하여 마요라나 큐비트를 인코딩하기 위해.
• 마요라나 큐비트의 코herence 특성과 단일 초전도 큐비트의 코herence 특성을 비교하여, 양자 코herence 측면에서의 이점을 부각하기 위해.
• 마요라나 모드의 비아벨 빈트링을 실험적으로 구현하기 위한 최소 네 큐비트 시스템을 제안하기 위해.
• 마요라나 빈트링 작동 이전과 이후의 양자 상태를 식별하기 위한 프로토콜을 설계하기 위해.

제안 방법

• 마요라나 제로 모드를 지닌 토폴로지적 초전도체 체인을 시뮬레이션하기 위해 초전도 큐비트의 일차원 어레이를 구성하기 위해.
• 체인 끝부분에 국소화된 쌍이 이루지 않은 마요라나 모드의 비아벨 anyonic 통계를 이용하여 마요라나 큐비트를 인코딩하기 위해.
• 실험적 제어와 측정을 용이하게 하기 위해 마요라나 큐비트를 스핀 표현에서 실현하기 위해.
• 제어된 양자 게이트 시퀀스를 통해 마요라나 모드의 빈트링 작동을 수행하기 위해 네 큐비트 회로 레이아웃을 설계하기 위해.
• 양자 상태 단층 측정과 사영 측정을 사용하여 빈트링 이후의 초기 상태와 최종 상태를 식별하기 위해.
• 마요라나 모드의 토폴로지적 보호를 활용하여 기존의 초전도 큐비트보다 더 긴 코herence 시간을 향상시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트 어레이를 설계하여 마요라나 제로 모드를 지닌 채널에 유지하고 조작할 수 있는가?
• RQ2 마요라나 큐비트의 코herence는 기존의 초전도 큐비트의 코herence와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 비아벨 빈트링을 구현하기 위해 필요한 최소한의 큐비트 아키텍처는 무엇인가?
• RQ4 빈트링 이전과 이후의 토폴로지 상태를 실험적으로 어떻게 식별할 수 있는가?
• RQ5 강력한 마요라나 조작을 위해 필요한 핵심 회로 설계 및 제어 프로토콜은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 초전도 회로 아키텍처는 일차원 체인 끝부분에서 마요라나 제로 모드의 발생을 지원한다.
• 스핀 표현에서 인코딩된 마요라나 큐비트는 단일 초전도 큐비트보다 향상된 양자 코herence를 나타낸다.
• 네 큐비트 시스템은 제어된 방식으로 마요라나 모드의 빈트링을 실현하고 검증하는 데에 충분하다.
• 표준 양자 측정 기법을 사용하여 빈트링 이후의 초기 상태와 최종 상태를 식별할 수 있는 프로토콜이 가능하다.
• 마요라나 큐비트 아키텍처에서 토폴로지적 보호를 활용함으로써 고장 내성 양자 계산으로 향하는 유망한 길을 제공한다.
• 이 프레임워크는 확장 가능하며 기존의 초전도 양자 계산 플랫폼과 호환된다.