[논문 리뷰] Superconducting cavity qubit with tens of milliseconds single-photon coherence time

Ofir Milul, Barkay Guttel외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 13.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 76인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표면 손실이 최소화된 고순도 니니비움 공진기와 약한 결합을 통한 트랜스몬 제어를 통해 단일 광자 공명 시간이 34 ms에 이르는 초전도 공진기 큐비트를 구현함으로써 이전 결과보다 10배 이상 긴 시간을 달성한다. 이 시스템은 1024개 광자로 구성된 셰르링거 고양이 상태를 준비할 수 있으며, 보스온 양자 오류 수정에 잠재적 응용 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

Storing quantum information for an extended period of time is essential for running quantum algorithms with low errors. Currently, superconducting quantum memories have coherence times of a few milliseconds, and surpassing this performance has remained an outstanding challenge. In this work, we report a qubit encoded in a novel superconducting cavity with a coherence time of 34 ms, an improvement of over an order of magnitude compared to previous demonstrations. We use this long-lived quantum memory to store a Schrödinger cat state with a record size of 1024 photons, indicating the cavity's potential for bosonic quantum error correction.

연구 동기 및 목표

• 고장내성 양자 계산 및 양자 네트워크를 지원하기 위해 초전도 회로의 양자 공명 시간을 연장한다.
• 표면 산화물 손실과 트랜스몬에 의한 디코herence로 인한 초전도 공진기 큐비트의 짧은 공명 시간 문제를 해결한다.
• 보스온 양자 오류 수정을 위한 대규모 포크 상태 중첩을 저장할 수 있는 고공명 시간 큐비트 메모리 개발한다.
• 표면 특성이 설계된 마이크로파 공진기를 이용한 장수명 양자 정보 저장을 위한 확장 가능한 플랫폼을 구현한다.

제안 방법

• 손실성 표면 산화물의 최소화를 위해 전자선 용접 및 표면 연마를 활용한 고순도 니니비움 공진기를 제작하였다.
• 전기장을 트랜스몬 결합 지점에 집중시키기 위해 반타원형 공진기 형상을 채택하여 칩 유도 손실을 감소시켰다.
• 스트립라인 공진기를 통해 약한 결합을 통한 트랜스몬 큐비트와 공진기를 결합하여 디코herence를 최소화하면서도 양자 상태 조작을 가능하게 하였다.
• 낮은 결합률을 보상하고 트랜스몬 유도 오차를 감소시키기 위해 강한 파라메트릭 드라이브를 사용하였다.
• 10 mK에서 고전적 루프다운 측정을 수행하여 순수 공진기의 특성을 분석하였으며, 붕괴 시간은 0.11 s (Q₀ ≈ 3×10⁹)를 기록하였다.
• 저노이즈 읽기 위해 TWPA 및 HEMT 증폭기를 사용하여 양자 토모그래피와 페어리티 측정을 수행하여 고양이 상태 준비 및 정밀도를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 기술 향상과 결합 제어를 통해 초전도 공진기 큐비트가 10 ms 이상의 단일 광자 공명 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 약한 트랜스몬 결합이 고Q 공진기에서 디코herence와 비선형 효과를 어느 정도 완화하는가?
• RQ3 마이크로파 공진기에서 1000개 이상의 광자를 포함한 셰르링거 고양이 상태를 준비하고 공명적으로 유지할 수 있는가?
• RQ4 광자 손실, 트랜스몬 읽기 오류율, 케르르 비선형성은 대규모 고양이 상태 간섭 무늬의 가시도를 어떻게 함께 제한하는가?
• RQ5 공진기 표면 품질과 환경 결합은 단일 광자 큐비트의 궁극적 공명 시간 결정에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 공진기는 단일 광자 감쇠 시간 T₁ᶜ = 25.6 ± 0.2 ms와 공명 시간 T₂ᶜ = 34 ± 1 ms를 달성하여 이전 연구에 비해 약 10배 이상 향상되었다.
• 순수 공진기의 고전적 루프다운 측정에서 붕괴 시간은 0.11 s (Q₀ = 3×10⁹)였으며, 열처리 없이 진공에서 열처리한 니니비움 공진기의 값에 근접하였다.
• 1024개 광자로 구성된 셰르링거 고양이 상태가 준비되고 특성화되었으며, 이는 이전 결과 대비 광자 수가 10배 증가한 것이다.
• 작은 고양이 상태의 경우 간섭 무늬 가시도는 0.95였지만, 1024개 광자 상태에서는 0.86으로 감소하여 고광자 수에서 측정 정밀도가 떨어지는 것으로 나타났다.
• 모의 실험 결과에서 관측된 가시도는 예측된 값보다 유의미하게 낮았으며, 校정 민감도나 분산 모델을 초월한 비선형 효과와 같은 고려되지 않은 오차가 존재할 가능성을 시사하였다.
• 공진기 케르르 비선형성은 Kc = 2π × 3.6 Hz로 측정되었으며, 위상 붕괴 시간은 4 ms로 고양이 상태의 공명 시간(54 μs)보다 길었으며, 이는 케르르 효과가 디코herence의 주요 원인이 아님을 시사한다.