[논문 리뷰] Prospects for Strong Cavity Quantum Electrodynamics with Superconducting Circuits

S. M. Girvin, Ren-Shou Huang외 3명|arXiv (Cornell University)|2003. 10. 28.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 1차원 전송선 공진기 구조를 사용하여 양자전자역학(의약물질 양자역학, cQED)의 강한 결합 영역을 실현하는 초전도 회로 아키텍처를 제안한다. 이는 고정밀 큐비트 제어, 다중 큐비트의 양자 비파괴(Non-Demolition, QND) 읽기, 그리고 센티미터 규모 거리에서의 조절 가능한 두 큐비트 얽힘을 가능하게 한다. 주요 결과는 진공 라비 분리가 비편향 속도를 초월하여 견고한 양자 연산과 확장 가능한 양자 계산의 잠재력을 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

We propose a realizable architecture using one-dimensional transmission line resonators to reach the strong coupling limit of cavity quantum electrodynamics in superconducting electrical circuits. The vacuum Rabi frequency for the coupling of cavity photons to quantized excitations of an adjacent electrical circuit (qubit) can easily exceed the damping rates of both the cavity and the qubit. This architecture is attractive for quantum computing and control, since it provides strong inhibition of spontaneous emission, potentially leading to greatly enhanced qubit lifetimes, allows high-fidelity quantum non-demolition measurements of the state of multiple qubits, and has a natural mechanism for entanglement of qubits separated by centimeter distances. In addition it would allow production of microwave photon states of fundamental importance for quantum communication.

연구 동기 및 목표

• 초전도 회로를 사용하여 양자전자역학(의약물질 양자역학, cQED)의 강한 결합 영역을 실현하기 위해.
• 단일 쇼트 내에서 다중 큐비트의 고정밀 양자 비파괴(Non-Demolition, QND) 측정을 가능하게 하기 위해.
• 공진기 내의 가상의 광자 교환을 통해 조절 가능한 장거리 큐비트 얽힘을 실현하기 위해.
• 고품질 인자 공진기와의 강한 결합을 통해 자발적 방출을 억제하고 큐비트의 공명 수명을 연장하기 위해.
• 양자 통신에 유용한 마이크로파 광자 상태의 생성 및 검출을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 1차원(1D) 전송선 공진기를 사용하여 영점 에너지를 작은 효과적 부피에 갇혀 진공 라비 결합 강도를 증가시킨다.
• 큰 전기 dipole 모멘트를 갖는 코oper 쌍 상자(artificial atoms)를 사용하여 공진기 중심 도체에 커패시티브 결합한다.
• 진공 라비 주파수 $ g $ 가 공진기 감쇠율 $ \kappa $ 와 큐비트 감쇠율 $ \gamma $ 를 모두 초월하도록 하여 강한 결합을 달성한다.
• 큐비트를 공진기 공명에서 떼어내어 디스פרס브 결합을 이용해 공진기 전송의 측정 가능한 이동을 통해 QND 읽기를 가능하게 한다.
• 큐비트가 상호 공명하지만 공진기에서 떨어져 있을 때, 가상의 광자 교환을 통해 양자 게이트를 실현하며, 이에 대한 효과적 해밀토니안은 $ H_2 \propto (g^2/\Delta)(\sigma_i^+\sigma_j^- + \sigma_i^-\sigma_j^+) $ 로 기술된다.
• 다른 큐비트 상태에 대해 서로 다른 공진기 끌림 값 $ \pm g_1^2/\Delta_1 \pm g_2^2/\Delta_2 $ 을 설계하여 단일 쇼트 내 다중 큐비트 읽기를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1차원 전송선 공진기 아키텍처를 갖춘 초전도 회로가 cQED의 강한 결합 영역을 달성할 수 있는가?
• RQ2 강한 결합이 자발적 방출을 억제하고 큐비트 공명 수명을 연장시킬 수 있는가?
• RQ3 다중 큐비트에 대해 고정밀 단일 쇼트 양자 비파괴(QND) 읽기가 달성될 수 있는가?
• RQ4 공진기 내에서의 가상 광자 교환을 통해 조절 가능한 장거리 큐비트 얽힘을 실현할 수 있는가?
• RQ5 이 아키텍처는 양자 통신에 유용한 마이크로파 광자 상태를 생성 및 검출할 수 있는가?

주요 결과

• 진공 라비 주파수 $ g $ 는 공진기 감쇠율 $ \kappa $ 와 큐비트 감쇠율 $ \gamma $ 를 모두 초월하여 강한 결합 조건 $ g \gg \kappa, \gamma $ 를 만족한다.
• 큐비트 수명은 공진기 모드로의 자발적 방출 억제로 인해 크게 향상된다.
• 다양한 큐비트 집합 상태에 따라 다른 공진기 주파수 이동을 측정함으로써, 단일 쇼트 내에서 다중 큐비트의 고정밀 양자 비파괴(QND) 읽기가 가능하다.
• 가상의 광자 교환을 통해 조절 가능한 두 큐비트 얽힘은 실현되었으며, $ \sqrt{i\text{SWAP}} $ 연산의 게이트 시간은 약 $ 50\,\text{ns} $ 이다.
• 공진기 감쇠 시간 동안의 연산 횟수는 $ N_{\text{op}} \sim 1200 $ 으로 추정되어 높은 공명 수명과 게이트 정밀도 잠재력을 보여준다.
• 시스템은 단일 광자 방출 또는 흡수로 인해 공진기 전송에 큰 측정 가능한 변화가 발생하므로, 단일 광자 검출 및 소스 功能을 구현할 수 있다.