[논문 리뷰] A Quantum Single Photon Transistor in Circuit Quantum Electrodynamics

Lukas Neumeier, Martin Leib외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 30.

Quantum Information and Cryptography인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 전송선이 두 개의 상호작용하는 트랜스몬 큐비트를 통해 결합된 회로 양자 전기역학을 사용하는 양자 단광자 트랜지스터를 제안한다. 한 선에서의 단일 광자는 강한 큐비트를 통한 상호작용을 통해 다른 선에서의 광자 전파를 차단하거나 허용함으로써 고성능의 온오프 비율을 달성하며, 연결된 작동을 위한 확장 가능하고 동일한 펄스 형식을 사용한다.

ABSTRACT

We introduce a circuit quantum electrodynamical setup for a single-photon transistor. In our approach photons propagate in two open transmission lines that are coupled via two interacting transmon qubits. The interaction is such that no photons are exchanged between the two transmission lines but a single photon in one line can completely block respectively enable the propagation of photons in the other line. High on-off ratios can be achieved for feasible experimental parameters. Our approach is inherently scalable as all photon pulses can have the same pulse shape and carrier frequency such that output signals of one transistor can be input signals for a consecutive transistor.

연구 동기 및 목표

• 모든 광자 기반 양자 논리에 적합한 스케일러블 단광자 트랜지스터를 회로 양자 전기역학을 사용해 설계하기.
• 단일 광자를 스위치로 사용하여 단일 광자 전파를 결정적으로 제어할 수 있도록 하기.
• 채널 간 직접 광자 교환 없이도 높은 온오프 대비를 달성하기.
• 모든 트랜지스터에서 동일한 펄스 형상과 캐리어 주파수를 사용함으로써 연결된 아키텍처와의 호환성 확보하기.

제안 방법

• 두 개의 개방된 전송선이 큐비트를 통해 결합되며, 직접 광자 교환 없이 큐비트가 광자 상호작용을 매개한다.
• 큐비트는 강한 비공진 상호작용을 유도하도록 조절되어 조건부 전파 차단을 가능하게 한다.
• 모든 광자 상태는 동일한 펄스 형상과 캐리어 주파수로 준비되어 여러 트랜지스터의 직접 연결을 허용한다.
• 시스템은 강한 결합 영역에서 작동하여 큐비트 상태 조작을 통해 단일 광자 수준의 제어를 가능하게 한다.
• 해밀토니안은 한 선에 있는 단일 광자가 큐비트 공진주기를 이동시켜 다른 선에서의 전파를 차단하도록 설계된다.
• 실험적으로 실현 가능하고 스케일러블한 데 기여하기 위해 회로 QED 아키텍처를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 광자 교환 없이 회로 QED 환경에서 단일 광자가 다른 광자의 전파를 제어할 수 있는가?
• RQ2 확장 가능한 회로 QED 아키텍처에서 단일 광자 스위칭의 가능 온오프 비율은 얼마인가?
• RQ3 동일한 광자 펄스는 어떻게 여러 개의 단광자 트랜지스터를 연결하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 큐비트를 통한 상호작용은 조건부 전파 차단을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 현실적인 실험적 파rameters로 고정밀도 단광자 스위칭을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 광자 전파에 대해 높은 온오프 비율을 달성하여 효과적인 단광자 스위칭이 가능하다.
• 한 전송선에 존재하는 단일 광자는 큐비트를 통한 상호작용을 통해 다른 선의 전파를 완전히 차단하거나 허용할 수 있다.
• 모든 광자 펄스가 동일한 형상과 캐리어 주파수를 가지므로 연결된 작동이 가능하다.
• 두 전송선 간 직접 광자 교환 없이도 큐비트를 통한 매개 결합에 의존하여 작동한다.
• 입력 펄스의 균일성과 모듈러 트랜지스터 아키텍처와의 호환성 덕분에 확장 가능성이 보장된다.
• 현실적인 실험적 파rameters가 제안된 단광자 트랜지스터의 실현 가능성을 뒷받침한다.