[논문 리뷰] The squeezed Kerr oscillator: spectral kissing and phase-flip robustness

Nicholas Frattini, Rodrigo G. Cortiñas외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 08.

Quantum Information and Cryptography인용 수 20

한 줄 요약

본 논문은 SNAIL-트롬 회로에서 압축된 Kerr 오실레이터를 구현하고, 정적 유효 해밀토니언을 검증하며, 높은 충실도의 QND 읽기 및 스펙트럼 키싱으로 인한 계단식과 같은 기저상 라이프타임을 가진 Kerr-cat 큐비트를 시연한다.

ABSTRACT

By applying a microwave drive to a specially designed Josephson circuit, we have realized an elementary quantum optics model, the squeezed Kerr oscillator. This model displays, as the squeezing amplitude is increased, a cross-over from a single ground state regime to a doubly-degenerate ground state regime. In the latter case, the ground state manifold is spanned by Schrödinger-cat states, i.e. quantum superpositions of coherent states with opposite phases. For the first time, having resolved up to the tenth excited state in a spectroscopic experiment, we confirm that the proposed emergent static effective Hamiltonian correctly describes the system, despite its driven character. We also find that the lifetime of the coherent state components of the cat states increases in steps as a function of the squeezing amplitude. We interpret the staircase pattern as resulting from pairwise level kissing in the excited state spectrum. Considering the Kerr-cat qubit encoded in this ground state manifold, we achieve for the first time quantum nondemolition readout fidelities greater than 99%, and enhancement of the phase-flip lifetime by more than two orders of magnitude, while retaining universal quantum control. Our experiment illustrates the crucial role of parametric drive Hamiltonian engineering for hardware-efficient quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 정적 유효 압축된 Kerr 해밀토니언과 일치하는 구동 비선형 오실레이터를 cQED에서 구동하고 구현한다.
• 증가하는 압축 하에서 Kerr-cat 상태로 확장되는 이중 중복된 기저 상태 매니폴드를 나타낸다.
• 쌍별 레벨 키싱의 분광 특징과 자유 매개변수 없이 이론과의 일치를 특성화한다.
• 기저 상태 및 캐트 상태 수명을 포함한 Kerr-cat 큐비트의 일관성(coherence) 특성을 정량화하고, 노이즈와 구동에 대한 강건성을 평가한다.

제안 방법

• Kerr 및 고차 비선형성을 가진 구동 비선형 오실레이터 해밀토니안에서 시작하고, 이는 두 개의 SNAIL 어레이 트랜스몬을 통해 구현된다.
• 오실레이터 주파수의 거의 두 배 근처에서 강한 마이크로파 구동을 적용하여 압축 Kerr 영역에 도달한다.
• 회전 프레임에서 정적 유효 해밀토니안 H_SK/hbar = epsilon_2(a^†2 + a^2) - K a^†2 a^2를 유도하고 대각화하며 스펙트럼을 실험과 비교한다.
• 스펙트로스코픽 측정과 시간 영역 읽기를 사용하여 기저 상태의 중복성과 웰 간 동역학을 관찰한다.
• 주파수 변환 비선형빔스플리터 상호작용을 통한 양자 비파괴 읽기를 사용하여 메타 포텐셜 우물 점유 및 캐트 상태의 간섭(coherences)을 모니터링한다.
• 단일 광자 손실, 유한한 욕조 온도, 디페이징을 포함하는 Lindblad 프레임워크로 비확산을 해석하여 수명 계단을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동 회로가 실험 조건에서 정적 유효 압축된 Kerr 해밀토니안을 실현하는가?
• RQ2 압축 진폭 증가가 Kerr 오실레이터의 여포 상태 스펙트럼 및 기저 상태 중복성(스펙트럴 키싱)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 압축에 따른 코히런트 상태와 캐트 상태의 수명은 얼마이며, 위상 플립 강건성이 고충실도 QND 읽기로 달성될 수 있는가?
• RQ4 현실적인 비확산 하에서 기저 상태 매니폴드에 인코딩된 Kerr-cat 큐비트가 고충실도 측정과 향상된 위상 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 유매개변수 대각화가 관찰된 분광 특징을 얼마나 잘 설명하는가?

주요 결과

• 분광학은 증가하는 압축과 함께 비특이 스펙트럼에서 쌍별 중복 스펙트럼으로의 교차를 보이며, 정적 유효 해밀토니언의 매개변수 없는 대각화와 일치한다.
• 기저 상태 매니폴드는 이중 중복이며 |C_α^±>로 확장된 짝수 및 홀 Kerr-cat 상태로 구성되며, α^2 = ε_2/K이고 예시에서 |α|^2 = 8.5이다.
• 기저 상태(Kerr-cat) 코히런스 수명 T_X는 압축에 따라 계단식 증가를 보이며, 쌍별 레벨 키싱과 웰 간 터널링 억제로 인해 발생한다.
• Kerr-cat 큐비트를 위한 양자 비파괴 읽기 충실도가 99%를 초과하며, 구동 및 플럭스 노이즈 하에서 위상 간섭에 무관한 거동을 관찰했다.
• 코히런트 상태 수명은 약 100 µs에 도달하고(예: 선택된 지점에서 T_X ≳ 97 µs), 캐트 상태 수명 T_YZ > 5 µs이며, 주파수 이탈 펌핑으로 특정 작동 영역에서 수밀리초 규모의 개선이 가능하다.
• 본 논문은 보어의 작용 양자화가 흐름 밖의 구동 시스템에 적용될 수 있음을 보여주고, 매개파 구동 공학이 하드웨어 효율적인 양자 계산을 가능하게 한다.