[논문 리뷰] The Kerr-Cat Qubit: Stabilization, Readout, and Gates

Alexander Grimm, Frattini, Nicholas E.외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 28.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파 공진기 내에서 두 개의 반대 위상의 코herent 상태의 초위상 상태로 이루어진 초전도 큒비트인 Kerr-cat 큐비트를 소개한다. 이 큐비트는 Kerr 비선형성과 단일 모드 압축을 통해 안정화되며, 이로 인해 고유의 오류 보호 기능을 갖춘 빠르고 안정적이며 확장 가능한 양자 정보 처리를 실현한다. 저자들은 횡방향 리laxation 시간을 10배 향상시키고, 응답 시간보다 60배 빠른 단일 큐비트 게이트를 구현하며, 단일 측정으로의 양자 비파괴 독출을 달성하였다. 이는 내재된 오류 보호 기능을 갖춘 강건하고 신속하며 확장 가능한 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum superpositions of macroscopically distinct classical states, so-called Schrödinger cat states, are a resource for quantum metrology, quantum communication, and quantum computation. In particular, the superpositions of two opposite-phase coherent states in an oscillator encode a qubit protected against phase-flip errors. However, several challenges have to be overcome in order for this concept to become a practical way to encode and manipulate error-protected quantum information. The protection must be maintained by stabilizing these highly excited states and, at the same time, the system has to be compatible with fast gates on the encoded qubit and a quantum non-demolition readout of the encoded information. Here, we experimentally demonstrate a novel method for the generation and stabilization of Schrödinger cat states based on the interplay between Kerr nonlinearity and single-mode squeezing in a superconducting microwave resonator. We show an increase in transverse relaxation time of the stabilized, error-protected qubit over the single-photon Fock-state encoding by more than one order of magnitude. We perform all single-qubit gate operations on time-scales more than sixty times faster than the shortest coherence time and demonstrate single-shot readout of the protected qubit under stabilization. Our results showcase the combination of fast quantum control with the robustness against errors intrinsic to stabilized macroscopic states and open up the possibility of using these states as resources in quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 단일 온도기의 위상 공간에서 매크로스코픽 초위상 상태를 활용하는 물리적으로 강건하고 오류 보호 기능이 있는 큐비트 아키텍처를 개발한다.
• Kerr 비선형성과 단일 모드 압축을 통해 슈뢰딩거 고양이 상태를 비산란으로부터 안정화시켜 장수하는 양자 초위상 상태를 실현한다.
• 안정화된 큐비트에서 고속, 고정밀도 단일 큐비트 게이트 및 단일 측정 양자 비파괴 독출을 달성한다.
• 고속 양자 제어와 내재된 오류 보호 기능 간의 호환성을 입증하여 실용적인 고장내성 양자 계산을 가능하게 한다.
• 주요 비산란 채널, 특히 비율 유출과 위상 분산를 규명하고 이를 완화하여 큐비트 공명 시간을 전통적 한계를 초월하도록 연장한다.

제안 방법

• 큐비트는 두 코herent 상태 |±α⟩의 초위상 상태인 고양이 상태 |Cα±⟩로 표현되며, 위상 공간에서의 비국소성으로 인해 위상 전환 오류로부터 보호된다.
• Kerr 비선형성과 공학적 단일 모드 압축을 조합하여 안정화를 달성하며, 이는 온도기의 효과적 잠재력 장을 변화시켜 비산란을 억제한다.
• 조절 가능한 Kerr 상호작용을 갖춘 초전도 마이크로파 공진기를 사용하여, 광자 손실과 환경 노이즈로부터 고양이 상태를 동적으로 안정화한다.
• 단일 측정 양자 비파괴 독출은 독출 공진기와의 디스퍼시브 결합을 통해 실현되며, 이는 인코딩된 상태를 붕괴시키지 않고 측정할 수 있도록 한다.
• 고속 단일 큐비트 게이트는 인코딩된 큐비트 기저에 맞추어 조정된 공명 마이크로파 펄스를 사용하여 실현되며, 게이트 시간은 가장 짧은 공명 시간보다 60배 이상 빠르다.
• 수치 시뮬레이션은 효과적 매개변수(n_th = 0.12, κ_ϕ,eff/2π = 230 Hz)를 갖는 마스터 방정식을 사용하여 비산란를 모델링하며, 校정 및 오프셋 조정 후 실험 데이터와 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 공진기 내에서 코herent 상태의 매크로스코픽 초위상 상태를 안정화시켜 장수하는 오류 보호 큐비트 상태를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이러한 안정화된 큐비트에서 공명 시간을 손상시키지 않고 고속, 고정밀도 단일 큐비트 연산을 수행할 수 있는가?
• RQ3 안정화된 고양이 큐비트에서 단일 측정, 양자 비파괴 독출을 실현할 수 있는가? 이를 통해 인코딩된 상태를 반복 측정할 수 있는가?
• RQ4 안정화된 Kerr-cat 큐비트에서 주요 비산란 메커니즘은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 Kerr 비선형성과 단일 모드 압축의 조합이 기존의 Fock 상태 인코딩에 비해 큐비트의 공명 시간을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 안정화된 Kerr-cat 큐비트의 횡방향 리laxation 시간(T2)은 단일 광자 Fock 상태 인코딩보다 한 계단 이상 높다.
• 단일 큐비트 게이트는 가장 짧은 공명 시간의 1/60 이내로 수행되어 고속 제어를 입증한다.
• 안정화 조건 하에서 인코딩된 큐비트에 대한 단일 측정 양자 비파괴 독출이 성공적으로 구현되었다.
• n_th = 0.12 및 κ_ϕ,eff/2π = 230 Hz 조건에서의 시뮬레이션은 비트 전환(≈2.6 μs), 위상 전환(≈110 μs), 유출(≈16 μs) 시간에 대해 실험 데이터를 재현하며 모델의 타당성을 입증한다.
• 관측된 비트 전환 비율은 평균 광자 수에 비례하여 선형적으로 증가함을 확인하여, 고장내성 양자 계산에 적합한 비대칭 노이즈 프로파일을 확인한다.
• 유출은 에너지 장벽을 넘는 상태들 때문으로 추정되며, 광자 수 비율(g3/K)을 증가시키고 이중 광자 소산을 추가하면 이 채널을 추가로 억제할 수 있다.