[논문 리뷰] On-Chip Microwave Fock States and Quantum Homodyne Measurements

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

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 3인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 플럭스 기반 초전도 큐비트를 라만 유사한 스킴을 통해 공진기와 결합하여 마이크로파 Fock 상태를 결정적으로 생성하는 온칩 방법을 제안한다. 또한 하이브리드 링 잔류를 비스플리터로 사용하는 마이크로파 양자 동조 측정(MQHM) 기술을 도입하여, 노이즈가 있는 증폭기에도 불구하고 전자기장 분리 성분을 정밀하게 측정할 수 있게 하며, 이는 초전도 회로에서 양자 상태 단층 촬영에 필수적이다.

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

• 온칩 초전도 회로에서 마이크로파 Fock 상태 및 초위상 양자 상태의 결정적 생성을 가능하게 한다.
• 직접적인 마이크로파 광검출기가 부족한 상황에서 약한 양자장에 대한 견고한 측정 기반 기술을 개발한다.
• 위상에 민감하지 않은 증폭기와 제곱법 검출기를 사용하여 마이크로파 영역에 맞게 조정된 양자 동조 측정을 구현한다.
• 증폭기 노이즈가 존재하는 상황에서도 전자기장 관측량, 특히 분리 성분의 모멘트를 완전히 특성화할 수 있도록 한다.
• 초전도 장치를 이용한 온칩 양자 정보 전송 및 마이크로파 영역에서의 양자 광학에 기초를 마련한다.

제안 방법

• Λ-구성의 3레벨 플럭스 큐비트가 라만 유사 전이 스킴을 통해 초전도 마이크로파 공진기와 결합되어 인구를 공명적으로 전이시키고 Fock 상태를 생성한다.
• 하이브리드 링 잔류가 온칩 마이크로파 비스플리터(MBS)로 기능하여, 조절 가능한 위상이 있는 두 경로로 신호를 분할함으로써 동조 측정을 가능하게 한다.
• 신호는 위상에 민감하지 않은 선형 증폭기를 통해 증폭되고, 제곱법 검출기가 강도를 측정하며, 출력 전류의 차이가 전자기장 분리 성분 관측량에 비례한다.
• 이 방법은 알려진 진폭과 위상을 가진 로컬 올라이저(LO)를 신호와 혼합하여 분리 성분 $\hat{X}_{\theta_r}$ 측정을 가능하게 하며, 관측량 $\langle \hat{\tilde{a}}^\dagger_2 \hat{\tilde{a}}_2 - \hat{\tilde{a}}^\dagger_4 \hat{\tilde{a}}_4 \rangle \propto 2|\alpha_{\rm LO}|\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 를 통해 실현된다.
• 두 번째 순서 모멘트 $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$ 는 동일한 LO를 사용한 두 혼합기의 출력을 상관시켜 측정하며, 노이즈 상관 없음 조건 하에서 위그너 함수 재구성 가능하다.
• 이 스킴은 두 경로의 증폭기 노이즈 간 상관성이 극미비하다고 가정하고, 알려진 LO 기여를 校정하여 제거함으로써 신호 모멘트의 정확한 측정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라만 유사 결합 스킴을 사용하여 초전도 온칩 회로에서 마이크로파 Fock 상태를 결정적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 직접적인 광검출기가 없는 마이크로파 영역에서 양자 동조 측정을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 노이즈가 있는 증폭기 조건에서도 전자기장 분리 성분 모멘트 $\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 와 $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$ 를 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 이 측정 스킴을 사용하여 마이크로파 양자 상태의 위그너 함수를 재구성할 수 있는가?
• RQ5 분리 성분 측정을 통해 Fock 상태와 $|0\rangle + |1\rangle$ 와 같은 코herent 초위상 양자 상태를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 라만 유사 결합 스킴을 통해 플럭스 큐비트가 Λ-구성으로 배치된 초전도 공진기에서 마이크로파 Fock 상태의 결정적 생성이 가능하다.
• 공명점에서 $|e\rangle$ 와 $|h\rangle$ 상태 사이의 반대교차 지점에서 진공 라만 주파수는 56 MHz에 도달하여 상태 준비를 위한 강한 결합 조건을 만족한다.
• MQHM 스킴을 통해 $\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 의 측정이 극미비한 노이즈 영향을 받지 않으며, $\langle \hat{\tilde{a}}^\dagger_2 \hat{\tilde{a}}_2 - \hat{\tilde{a}}^\dagger_4 \hat{\tilde{a}}_4 \rangle \propto 2|\alpha_{\rm LO}|\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 로 확인된다.
• 두 번째 순서 모멘트 $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$ 는 관련된 혼합기 출력을 통해 측정 가능하며, $\langle \hat{X}_{\tilde{a}_2,\theta_r} \hat{X}_{\tilde{a}_4,\theta_r} \rangle = -\frac{1}{2}\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle + \frac{1}{2}\langle \hat{X}^2_{\rm LO,\theta_r} \rangle$ 로 표현되어 위그너 함수 재구성 가능하다.
• 이 방법은 가우시안 상태의 완전한 특성화와 Fock 상태 및 초위상 양자 상태의 구분이 가능하며, 적절한 조건 하에서 $p \in \mathbb{N}$ 에 대해 모든 $\langle \hat{X}^p_{\theta_r} \rangle$ 의 측정이 가능하다.