[논문 리뷰] One-step implementation of entanglement generation on microwave photons in distant 1D superconducting resonators

Ming Hua, Ming‐Jie Tao외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트를 필요로 하지 않고, 공통의 초전도 공명기(R)를 양자 버스로 사용하여 원거리 1차원 초전도 공명기(SRs)에서 마이크로파 광자 간에 고신뢰도 벨 상태를 생성하는 확장 가능한 양자버스 기반 장치를 제안한다. 이 방법은 분산 영역에서 작동하여 25.5 ns 이내에 99.5%를 초월하는 품질로 한 번의 단계에서 얽힘을 생성할 수 있으며, 서로 다른 공명기 쌍에서 동시에 여러 벨 상태를 생성하는 데도 확장 가능하다.

ABSTRACT

We present a scalable quantum-bus-based device for generating the entanglement on microwave photons (MPs) in distant superconducting resonators (SRs). Different from the processors in previous works with some resonators coupled to a superconducting qubit (SQ), our device is composed of some 1D SRs $r_j$ which are coupled to the quantum bus (another common resonator $R$) in its different positions simply, assisted by superconducting quantum interferometer devices. By using the technique for catching and releasing a MP state in a 1D SR, it can work as an entanglement generator or a node in quantum communication. To demonstrate the performance of this device, we propose a one-step scheme to generate high-fidelity Bell states on MPs in two distant SRs. It works in the dispersive regime of $r_j$ and $R$, which enables us to extend it to generate high-fidelity multi-Bell states on different resonator pairs simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 원거리 초전도 공명기에서 마이크로파 광자 간의 얽힘을 생성하기 위한 확장 가능하고 큐비트 없이도 가능한 아키텍처를 개발하는 것.
• 이전의 방법들이 초전도 큐비트에 의존함으로써 주파수 조정 범위와 결합 복잡성으로 인해 확장성에 제약을 받는 문제를 해결하는 것.
• 공유된 양자 버스를 통해 원거리 공명기 간에 한 번의 단계로 고신뢰도의 벨 상태 생성을 가능하게 하는 것.
• 분산 영역에서 동시에 여러 쌍의 벨 상태 생성 가능성을 입증하는 것.
• 장거리 양자 통신을 지원하기 위해 장치가 벨 상태 생성기 또는 양자 통신 노드로 기능할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 장치는 초전도 양자 간섭계 장치(SQUIDs)를 통해 다수의 1차원 SRs(r_j)에 연결된 중심 양자 버스 공명기 R을 사용하며, 다양한 위치에서 조절 가능한 국소적 결합을 가능하게 한다.
• 제어 가능한 결합을 통해 전송선으로부터 마이크로파 광자 상태를 SRs로 포획함으로써 국소적 양자 연산을 가능하게 한다.
• 분산 영역에서의 한 번의 유니터리 진화(g_j/Δ_j ≪ 1)를 통해 얽힘을 생성하며, 여기서 g_j는 결합 강도이고 Δ_j는 r_j와 R 사이의 떨어짐이다.
• 이 방법은 직접적인 결합 없이도 원거리 SRs 간의 얽힘을 매개하는 분산 상호작용을 활용하여 원치 않는 상호작용을 피한다.
• 이 프로토콜은 확장 가능하다: 서로 다른 공명기 쌍의 주파수를 떨어뜨림으로써 독립된 쌍에서 동시에 여러 벨 상태를 생성할 수 있다.
• 수치 시뮬레이션은 다섯 개의 공명기-큐비트(FRQ) 부분계를 사용하여 검증되었으며, 품질은 |⟨Ψ|ρ′(t)|Ψ⟩|로 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원거리 초전도 공명기에서 마이크로파 광자 간의 얽힘을 초전도 큐비트에 의존하지 않고 생성할 수 있는가?
• RQ2 단일 양자 버스 공명기로 다수의 원거리 공명기 쌍 간에 고신뢰도의 한 번의 단계 벨 상태 생성이 가능한가?
• RQ3 이 방법은 서로 다른 공명기 쌍에서 동시에 여러 벨 상태를 생성하는 데 있어 확장 가능한가?
• RQ4 분산 영역에서 떨어짐과 결합 강도가 얽힘 생성의 품질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 장치는 장거리 양자 통신을 위한 유니버설 노드로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 한 번의 단계 방법은 25.5 ns 이내에 두 개의 원거리 공명기에서 벨 상태를 생성할 때 99.5%의 품질을 달성한다.
• 이 방법은 분산 영역(g_j/Δ_j ≪ 1)에서 작동하여 강한 결합이나 큐비트를 통한 비선형성을 요구하지 않으며 고신뢰도의 얽힘 생성을 가능하게 한다.
• 다섯 개의 공명기-큐비트 부분계에서 검증된 바와 같이, 독립된 두 공명기 쌍에서 동시에 두 개의 벨 상태를 고신뢰도로 생성하는 것은 가능하다.
• 잔류 상호작용으로 인한 품질 진동은 떨어짐을 증가시키거나 결합 강도를 줄임으로써 최소화된다.
• 장치는 벨 상태 생성기 또는 양자 통신 노드로 기능할 수 있으며, 마이크로파 광자 상태의 수거 및 해제를 지원한다.
• 조절 가능한 초전도 큐비트나 복잡한 결합 네트워크가 필요로 하지 않아 확장성과 실험 구현 가능성 향상