[논문 리뷰] Tunable quantum gate between a superconducting atom and a propagating microwave photon

Kazuki Koshino, K. Inomata외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 07.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공명기-결합 파동도로 시스템을 사용하여 초전도성 인공 원자와 전파되는 마이크로파 광자 사이의 조절 가능한 두 큐비트 양자 게이트를 제안한다. 현장에서 제어 가능한 드라이브 필드를 통해 광자 반사 시 결정론적 SWAP, $√{\text{SWAP}}$, 및 아이덴티티 연산을 실현함으로써, 고신뢰도이고 재구성 가능한 원거리 큐비트 간의 얽힘을 갖는 확장 가능한 모듈식 양자 네트워크를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We propose a two-qubit quantum logic gate between a superconducting atom and a propagating microwave photon. The atomic qubit is encoded on its lowest two levels and the photonic qubit is encoded on its carrier frequencies. The gate operation completes deterministically upon reflection of a photon, and various two-qubit gates (SWAP, $\sqrt{ m SWAP}$, and Identity) are realized through {\it in situ} control of the drive field. The proposed gate is applicable to construction of a network of superconducting atoms, which enables gate operations between non-neighboring atoms.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트와 비행 마이크로파 광자 사이의 결정론적이고 재구성 가능한 두 큐비트 양자 게이트를 실현하여 확장 가능한 양자 네트워크를 가능하게 하기 위해.
• 모듈식 양자 아키텍처에서 고정된 게이트 연산의 한계를 극복하기 위해 동적 드라이브 제어를 통한 가변성 도입.
• 단일 장치에서 조절 가능한 드라이브 파rameter를 통해 여러 유니버설 양자 게이트(SWAP, $√{\text{SWAP}}$, 아이덴티티)를 실현할 수 있음을 입증하기 위해.
• 제안된 게이트를 연쇄적으로 구현하여 원거리에 있는 초전도성 원자 간의 장거리 얽힘을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 초전도성 인공 원자는 마이크로파 공명기에 분산적으로 결합되어 있으며, 이는 광자 입력과 드라이브 필드 주입을 위한 두 개의 파동도로에 연결되어 있다.
• 시스템은 정적 드라이브 필드의 진폭 $\Omega_d$ 와 주파수 $\omega_d$ 를 갖는 회전 프레임에서 작동하며, 해밀토니안 $\mathcal{H}_{ar}$ 를 통해 복합 상태를 설계할 수 있다.
• 단일 주파수 광자가 반사될 때 결정론적으로 게이트 연산이 완료되며, 양자 정보는 광자의 실시간 주파수에 코딩되어 있다.
• 게이트 유형은 드라이브 주파수 $\omega_d$ 와 진폭 $\Omega_d$ 를 조절하여 복합 상태 간의 혼합 각도 $\theta_l$ 를 제어함으로써 조절된다.
• 이론적 분석은 네 수준의 힐베르트 공간 ($|g,0\rangle$, $|e,0\rangle$, $|g,1\rangle$, $|e,1\rangle$) 을 사용하고, 시간에 따라 변하는 산란 진폭 $\xi_{ij}(\omega)$ 를 통해 광자 산란을 모델링한다.
• 게이트의 신뢰도는 양자 얽힘 신뢰도 $f_{\text{sw}}$ 와 평균 게이트 신뢰도 $\mathcal{F}_{\text{sw}} = (4f_{\text{sw}} + 1)/5$ 를 사용하여 평가되며, 게이트 시간 동안 원자 붕괴를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 장치에서 초전도 큐비트와 전파되는 마이크로파 광자 사이의 여러 유니버설 두 큐비트 게이트(SWAP, $√{\text{SWAP}}$, 아이덴티티)를 실현할 수 있는가?
• RQ2 현장에서 제어 가능한 드라이브 필드는 아이덴티티에서 SWAP로의 게이트 연산을 연속적으로 조절할 수 있는가?
• RQ3 원자 붕괴가 게이트 시간 동안 존재하는 현실적인 조건에서 게이트 연산의 신뢰도는 어떠한가?
• RQ4 제안된 게이트는 원거리에 있는 두 초전도성 원자 간의 얽힘을 생성하기 위해 연쇄적으로 적용될 수 있는가?
• RQ5 게이트 성능은 광자 펄스 형상과 드라이브 파rameter에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 제안된 게이트는 광자 반사 시 결정론적으로 작동하며, 최적의 드라이브 조건에서 SWAP 연산의 게이트 신뢰도가 95%를 초과한다.
• 드라이브 주파수와 진폭을 조절하여 단일 장치에서 SWAP, $√{\text{SWAP}}$, 및 아이덴티티 연산을 연속적으로 실현할 수 있다.
• 게이트 신뢰도는 원자 붕괴에 대해 강건하며, 유한한 $T_1$ 수명 동안에도 평균 게이트 신뢰도 $\mathcal{F}_{\text{sw}}$ 가 90% 이상 유지된다.
• 시스템은 다수의 게이트를 연쇄적으로 구현할 수 있으며, 광자 교환을 통해 두 원거리 초전도성 원자 간의 얽힘 생성이 가능하다.
• 이론적 분석은 게이트 연산이 펄스 대역폭 내에서 초기 광자 주파수에 영향을 받지 않음을 확인하여 주파수에 민감하지 않은 작동을 가능하게 한다.
• 게이트는 네 수준의 복합 상태 만능체에서 실현되며, 회전 프레임 변환과 분산 결합을 통해 효과적 해밀토니안을 유도한다.