[논문 리뷰] On-Demand Directional Microwave Photon Emission Using Waveguide Quantum Electrodynamics

Bharath Kannan, Aziza Almanakly외 17명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 02.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이방향 파동구에 결합된 초전도성 인공 분자와 함께, 요구에 따라 고해상도의 방향성 마이크로파 광자 방출을 구현한다. 두 발광 큐비트 간의 양자 간섭을 설계함으로써, 시스템은 유일하게 선택된 방향으로만 전파되는 단일 광자를 생성하며, 이는 교환 가능하고 스케일러블한 양자 인터커넥트를 가능하게 하여, 교차 캐리어와 손실이 감소된 모듈러 양자 네트워크를 실현한다.

ABSTRACT

Routing quantum information between non-local computational nodes is a foundation for extensible networks of quantum processors. Quantum information transfer between arbitrary nodes is generally mediated either by photons that propagate between them, or by resonantly coupling nearby nodes. The utility is determined by the type of emitter, propagation channel, and receiver. Conventional approaches involving propagating microwave photons have limited fidelity due to photon loss and are often unidirectional, whereas architectures that use direct resonant coupling are bidirectional in principle, but can generally accommodate only a few local nodes. Here we demonstrate high-fidelity, on-demand, directional, microwave photon emission. We do this using an artificial molecule comprising two superconducting qubits strongly coupled to a bidirectional waveguide, effectively creating a chiral microwave waveguide. Quantum interference between the photon emission pathways from the molecule generates single photons that selectively propagate in a chosen direction. This circuit will also be capable of photon absorption, making it suitable for building interconnects within extensible quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서에서 비근접한 양자 노드 간의 효율적이고 방향성 있는 양자 정보 전송 문제를 해결한다.
• 광자 손실로 인해 고성능이 떨어지는 손실이 큰 서큘레이터가 필요한 전통적인 단방향 파동구의 한계를 극복한다.
• 비대칭 성분이 없는 이원방향 파동구 기반 아키텍처를 개발하여, 비대칭 성분 없이 요구에 따라 방향성 있는 광자 방출을 가능하게 한다.
• 양자 간섭을 통한 방향성 제어와 고해상도 광자 방출을 융합함으로써 고접속성의 스케일러블한 양자 네트워크를 실현한다.
• 광자 방출뿐만 아니라 수신 능력까지 구현하여, 스케일러블 네트워크에서 양방향 인터커넥트 기능을 수행할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 두 개의 강하게 결합된 큐비트(발광체)로 구성된 초전도성 인공 분자를 설계하고, 이를 공통의 이원방향 파동구에 결합한다.
• 분자의 두 개의 별개의 방출 경로 간의 양자 간섭을 이용하여, 한 경로는 왼쪽으로, 다른 경로는 오른쪽으로 전파되는 비대칭 광자 방출을 생성한다.
• 초기 초위상 상태 |ψqb±⟩ = (|gg⟩ + |ψ±⟩)/√2가 발광 마이크로파 광자의 방향을 결정하는 4레벨 시스템을 구현한다.
• 초위상 연산자 형식을 사용한 마스터 방정식을 모델링하며, 해밀토니안 H = g_eff(σ⁻₃σ⁺₁ + σ⁺₃σ⁻₁) + g_eff(σ⁻₄σ⁺₂ + σ⁺₄σ⁻₂)를 사용하여 발광 큐비트와 데이터 큐비트 간의 효과적 결합을 기술한다.
• 밀리우빌리안 연산자 형식을 사용해 마스터 방정식을 수치적으로 해결하여 밀도 행렬의 시간 진화를 시뮬레이션하고 관측 가능량을 계산한다.
• 입력-출력 관계를 사용해 왼쪽 및 오른쪽 파동구 모드의 전장 진폭을 계산한다: ⟨a_L⟩ = √(γ/2)(⟨σ⁻₁⟩ + i⟨σ⁻₂⟩), ⟨a_R⟩ = √(γ/2)(⟨σ⁻₁⟩ - i⟨σ⁻₂⟩), 이를 통해 방향성 방출을 예측할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 성분이 없는 이원방향 파동구에서 요구에 따라 방향성 있는 마이크로파 광자 방출을 달성할 수 있는가?
• RQ2 두 발광 큐비트 경로 간의 양자 간섭은 초전도 회로에서 어떻게 비대칭 광자 방출을 가능하게 하는가?
• RQ3 발광 큐비트의 초기 상태가 초위상 상태로 설계되었을 때, 광자 방출의 정밀도와 방향성은 어떻게 되는가?
• RQ4 시스템은 방향성 있는 광자 수신 능력도 지원할 수 있는가? 이를 통해 양방향 인터커넥트 기능이 가능해지는가?
• RQ5 효과적 결합 강도 g_eff/2π ≈ 1.28 MHz는 방출 광자 웨이브패킷의 시간적 형태와 방향성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초전도 인공 분자 내에서의 양자 간섭을 이용함으로써, 시스템은 고정밀도의 요구에 따라 방향성 있는 마이크로파 광자 방출을 실현한다.
• 상태 |ψqb⁻⟩로 초기화된 경우, 방출된 광자 전장 진폭은 주로 왼쪽으로 전파된다 (⟨a_L⟩ ≠ 0, ⟨a_R⟩ = 0), 반면 |ψqb⁺⟩는 오른쪽으로 전파되는 웨이브패킷을 생성한다.
• 방출된 광자 웨이브패킷의 시간적 형태는 해석적 해 ⟨a_L⟩ ∝ -g_eff√γ / Γ × e^(-γt/4) sinh(Γt/2)로 예측되며, 여기서 Γ = 2√((γ/4)² - g_eff²)이다.
• 발광 큐비트와 데이터 큐비트 간의 효과적 결합 강도는 g_eff/2π ≈ 1.28 MHz로 추정되며, 이는 광자 방출 외곽선에 대한 실험적 피팅과 일치한다.
• 시스템은 높은 방향성 특성을 보이며, 이상 모델에서 |ψqb⁻⟩ 상태일 경우 오른쪽으로 전파되는 진폭 ⟨a_R⟩는 0이 되어 단방향 방출을 확인한다.
• 모델은 시스템이 들어오는 광자를도 방향성 있게 수신할 수 있음을 예측하여, 스케일러블 네트워크에서 양방향 양자 인터커넥트에 적합함을 보여준다.