[논문 리뷰] A Superconducting Persistent Current Qubit

Terry P. Orlando, Mooji, J. E.외 5명|Data Archiving and Networked Services (DANS)|1999. 08. 19.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 세 개의 저항이 있는 초전도체 루프에서 지속 전류 상태를 기반으로 한 초전도 큐비트를 제안하며, 이 큐비트의 두 상태는 시계방향 및 반시계방향 전류 순환을 나타낸다. 큐비트는 자기력선을 통해 제어되고 읽혀지며, 전하 노이즈에 대해 강건하고 SQUID 기반 검출과 호환되어 스케일러블한 플럭스 기반 초전도 양자 컴퓨팅으로 향한 핵심 단계를 마련한다.

ABSTRACT

We present the design of a superconducting qubit that has circulating currents of opposite sign as its two states. The circuit consists of three nano-scale aluminum Josephson junctions connected in a superconducting loop and controlled by magnetic fields. The advantages of this qubit are that it can be made insensitive to background charges in the substrate, the flux in the two states can be detected with a SQUID, and the states can be manipulated with magnetic fields. Coupled systems of qubits are also discussed as well as sources of decoherence.

연구 동기 및 목표

• 전하 상태 대신 지속 전류 상태를 사용함으로써 전하 디코herence에 강건한 초전도 큐비트를 개발하기 위해.
• 외부 자기장으로 큐비트 상태의 공명 조작 및 측정을 가능하게 하기 위해.
• 초전도 루프의 플럭스 상태를 기반으로 한 결합 큐비트의 스케일러블 아키텍처를 설계하기 위해.
• 실제 구현을 위한 속도 조절 전략을 제안하기 위해 디코herence 원인을 분석하기 위해.

제안 방법

• 지속 전류 큐비트를 형성하기 위해 알루미늄 기반의 조셉슨 저항이 세 개인 초전도 루프를 설계하기 위해.
• 시계방향 및 반시계방향 전류 상태 간의 에너지 수준 분리가 외부 자기력선에 의해 조절되어 큐비트 상태를 제어하기 위해.
• 각 전류 상태와 관련된 자기력선을 감지하기 위해 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)를 구현하기 위해.
• 시스템의 플럭스 조절 가능성을 활용하여 외부 자기장 펄스를 통해 단일 큐비트 연산을 수행하기 위해.
• 조셉슨 결합과 자기 인덕도를 포함한 플럭스 큐비트의 해밀토니안을 사용하여 큐비트의 거동을 모델링하기 위해.
• 회로 내에서의 플럭스 노이즈, 준입자 터널링 및 열적 변동과 같은 디코herence 메커니즘을 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지속 전류 상태를 기반으로 한 초전도 큐비트가 전하 노이즈에 민감하지 않게 함으로써 장수명의 디코herence 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 시계방향 및 반시계방향 전류 상태인 두 플럭스 상태는 어떻게 외부 자기장으로 공명 조작 및 측정할 수 있는가?
• RQ3 이러한 플럭스 큐비트의 네트워크는 양자 계산을 위한 스케일러블 잠재력을 얼마나 지닐 수 있는가?
• RQ4 이 설계에서 지배적인 디코herence 채널은 무엇이며, 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ5 SQUID를 사용하여 플럭스 상태를 고정밀도로 신뢰성 있게 읽을 수 있는가?

주요 결과

• 지속 전류 큐비트는 플럭스 기반 인코딩 덕분에 전하 노이즈에 매우 강건하여, 전하 큐비트보다 훨씬 긴 디코herence 시간을 보인다.
• 외부 자기력선을 통해 두 플럭스 상태 간의 에너지 분리가 조절 가능하여 큐비트 상태의 공명 제어가 가능하다.
• SQUID를 사용해 매우 높은 민감도로 각 상태의 자기력선을 감지할 수 있어 큐비트 상태의 사영 측정이 가능하다.
• 이론적 모델링을 통해 공명 자기장 펄스 하에서 라비 진동이 관측됨으로써 전류 상태의 공명 초위상 상태가 가능하다고 입증되었다.
• 디코herence는 주로 플럭스 노이즈와 준입자 터널링에 의해 결정되며, 모델에서 추정된 디코herence 시간은 마이크로초 수준이다.
• 이러한 큐비트의 결합된 어레이를 상호 인덕도를 통해 양큐비트 얽힘 게이트를 실현할 수 있도록 설계할 수 있어 스케일러블한 양자 계산이 가능하다.