[논문 리뷰] Probing a transmon qubit via the ultra-strong coupling to a Josephson waveguide

Javier Puertas Martínez, Sébastien Leger외 11명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 02.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 4700개의 튜너블 조인션으로 구성된 장거리 온칩 조인슨 파동구를 통해 트랜스몬 큐비트와 초강력 결합을 구현함으로써, 다수의 보소닉 공진모드에서의 위상 변화를 통해 큐비트 성질을 직접 측정할 수 있음을 보여준다. 이 시스템은 큐비트 전이 주파수의 상당한 분수에 해당하는 넓이를 가지며, 유한한 환경이 매크로스코픽 열역학적 분포와 동일시될 수 있음을 보여주며, 하이브리드화된 양자 시스템에 대한 매개변수 없는 모델을 제공한다.

ABSTRACT

Exploring the quantum world often starts by drawing a sharp boundary between a microscopic subsystem and the bath to which it is invariably coupled. In most cases, knowledge of the physical processes occuring in the bath is not required in great detail. However, recent developments in circuit quantum electrodynamics are presenting regimes where the actual dynamics of engineered baths, such as microwave photon resonators, becomes relevant. Here we take a major technological step forward, by tailoring a centimeter-scale on-chip bath from a very long metamaterial made of 4700 tunable Josephson junctions. By monitoring how each measurable bosonic resonance of the circuit acquires a phase-shift due to its interaction with a transmon qubit, one can indirectly measure qubit properties, such as transition frequency, linewidth and non-linearity. This new platform also demonstrates the ultra-strong coupling regime for the first time in the context of Josephson waveguides. Our device combines a large number of modes (up to 10 in the present setup) that are simultaneously hybridised with the two-level system, and a broadening dominated by the artificial environment that is a sizeable fraction of the qubit transition frequency. Finally, we provide a quantitative and parameter-free model of this large quantum system, and show that the finite environment seen by the qubit is equivalent to a truly macroscopic bath.

연구 동기 및 목표

• 약한 결합 영역을 초월한 회로 양자역학에서 공학된 양자 환경의 역학을 탐구하기 위해.
• 환경의 내부 역학이 시스템에 상당한 영향을 미칠 때 큐비트 성질을 특성화하는 데 도전하기 위해.
• 매크로스코픽이고 튜너블한 조인슨 파동구 환경에서 초강력 결합 영역에 접근할 수 있는 플랫폼을 개발하기 위해.
• 트랜스몬 큐비트가 인공 환경의 다수 모드와 하이브리드화된 큰 양자 시스템에 대한 정량적이고 매개변수 없는 모델을 제공하기 위해.
• 큐비트가 보는 유한한 환경이 진정으로 매크로스코픽 분포와 동일시될 수 있으며, 개방된 양자 시스템에 대한 새로운 통찰을 제공할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 4700개의 튜너블 조인슨 저항을 사용하여 센티미터 급의 온칩 조인슨 파동구를 공학하여, 제어 가능한 모드 구조를 가진 장거리 인공 환경을 구현하였다.
• 파동구의 각 보소닉 공진모드에서의 위상 변화 측정을 통해 트랜스몬 큐비트의 전이 주파수, 폭, 비선형성을 간접적으로 측정하였다.
• 결합 에너지가 큐비트 전이 주파수의 상당한 분수에 이르도록 큐비트-파동구 상호작용 강도를 튜닝함으로써 초강력 결합을 달성하였다.
• 동시적으로 파동구의 최대 10개의 별개 모드와 큐비트를 하이브리드화함으로써 다중 모드 얽힘과 집합적 반응 분석을 가능하게 하였다.
• 파동구를 유한하고 매크로스코픽 환경로 간주하는, 전체 양자 시스템을 정확히 기술하는 매개변수 없는 이론 모델을 개발하였다.
• 여러 공진모드와 결합 영역에서 측정된 위상 변화를 이론적 예측과 비교하여 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조인슨 파동구 플랫폼에서 초강력 결합을 실현할 수 있으며, 그 관측 가능한 특징은 무엇인가?
• RQ2 장거리 조인슨 파동구의 유한하고 구조화된 환경은 마코비안 환경과 비교해 큐비트 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공학된 환경의 공진 모드에서의 위상 변화를 통해 큐비트 성질을 어느 정도 정확하게 추출할 수 있는가?
• RQ4 큐비트가 보는 효과적 환경은 스펙트럼적 및 역학적 성질 측면에서 진정으로 매크로스코픽 분포와 동일한가?
• RQ5 매개변수 없는 모델이 장거리 파동구의 다수 모드와 강하게 결합된 트랜스몬 큐비트의 집합적 행동을 정확히 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 이 시스템은 조인슨 파동구에서 처음으로 초강력 결합 영역을 달성하였으며, 결합 강도가 큐비트 전이 주파수의 상당한 분수에 이르렀다.
• 파동구의 공진 모드에서의 위상 변화는 큐비트의 전이 주파수, 폭, 비선형성을 고정밀도로 직접 비파괴적으로 측정할 수 있는 수단을 제공한다.
• 유한한 파동구 환경은 큐비트 전이 주파수의 상당한 분수에 이르는 스펙트럼 넓이를 보이며, 강한 비마코비안 역학을 나타낸다.
• 측정된 시스템 응답은 매개변수 없는 모델에 의해 정량적으로 잘 기술되어 있으며, 유한한 파동구가 진정한 매크로스코픽 분포와 동일시됨을 확인한다.
• 최대 10개의 별개 보소닉 모드가 동시에 두 수준 시스템과 하이브리드화되어 다중 모드 얽힘과 집합적 양자 행동을 가능하게 하였다.
• 실험 데이터는 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 모델이 하이브리드화된 시스템의 전체 양자 역학을 잘 포괄할 수 있음을 검증한다.