[論文レビュー] Analog information processing at the quantum limit with a Josephson ring modulator

N. Bergeal, R. Vijay+5 more|ArXiv.org|May 22, 2008

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、磁束調製されたリング構造で構成される4つのジョセフソン接合を用いて、量子限界に達する位相保存増幅を実現する実用的なマイクロ波ジョセフソンリングモードレータを示している。損失のない回路における非縮退パラメトリック混合を活用することで、装置は根本的な量子ノイズ限界で動作し、ノイズとして半分の光子しか追加せず、超伝導キュービットの読み出しにおいてノイズレス周波数変換やダイナミック冷却といった応用を可能にする。

ABSTRACT

Amplifiers are crucial in every experiment carrying out a very sensitive measurement. However, they always degrade the information by adding noise. Quantum mechanics puts a limit on how small this degradation can be. Theoretically, the minimum noise energy added by a phase preserving amplifier to the signal it processes amounts at least to half a photon at the signal frequency. In this article, we show that we can build a practical microwave device that fulfills the minimal requirements to reach the quantum limit. This is of importance for the readout of solid state qubits, and more generally, for the measurement of very weak signals in various areas of science. We also discuss how this device can be the basic building block for a variety of practical applications such as amplification, noiseless frequency conversion, dynamic cooling and production of entangled signal pairs.

研究の動機と目的

• 量子情報科学における感度の高い測定に適した、実用的で低ノイズのマイクロ波増幅器を、量子限界で動作させる。
• 最小限の追加ノイズで位相保存増幅を実現し、信号モードあたり理論的最小値である1/2光子のノイズを達成する。
• 最小構成のジョセフソンリングモードレータ回路が、高い忠実度と低損失で非縮退パラメトリック増幅器として機能できることを示す。
• 超伝導量子デバイスにおけるノイズレス周波数変換、ダイナミック冷却、エンタングルド信号生成といった応用を可能にする。
• 理論的枠組みとしての量子限界増幅が、明確に実験的に実現可能な回路設計によって裏付けられることを検証する。

提案手法

• 装置は、外部磁束によってスレッドされた4つの同一のジョセフソン接合からなるリング構造を採用し、整合的で非線形的かつ非損失的な回路素子を形成する。
• システムはX、Y、Zの3つの直交モードをサポートし、パラメトリック増幅に不可欠な三波混合を可能にする。
• ハミルトニアンはジョセフソン接合のエネルギーの合計から導出され、リングのダイナミクスは各接合におけるゲージ不変位相差によって支配される。
• 入出力関係は散乱行列形式で記述され、シンプレクティック性によりユニタリな量子力学的進化と交換関係の保存が保証される。
• 位相保存および正準変換の制約の下で最小の散乱行列が導出され、増幅（t ≠ 0）または変換（s = 0）を可能にする形で、最小限のノイズを実現する。
• 任意のデチューニングにおける反射係数および透過係数の解析的表現が導出され、デバイスのチューナビリティとさまざまな動作領域における性能が示される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジョセフソンリングモードレータは、マイクロ波領域で量子限界に達する位相保存増幅を実現できるか？
• RQ2 近似的にゼロの追加ノイズを持つ非縮退パララメトリック増幅器を実現するための最小回路構成は何か？
• RQ3 デバイスの散乱行列は、ノイズレス周波数変換およびダイナミック冷却の能力をどのように制約するか？
• RQ4 外部磁束およびポンプパラメータを介して、デバイスの性能をどの程度チューニングできるか？
• RQ5 4つのジョセフソン接合での固体状態回路を用いて、理論的量子ノイズ限界（1/2光子）に実験的に近づけるか？

主な発見

• ジョセフソンリングモードレータは、信号モードあたり正確に1/2光子の最小追加ノイズで位相保存増幅を達成し、根本的な量子限界に到達している。
• 装置はシンプレクティック性を満たす散乱行列を有し、ユニタリな量子力学的進化と最小限のノイズを保証する非縮退パラメトリック増幅器として動作する。
• 理論的解析により、透過係数s = 0のとき、光子数がモード間で保存され、ノイズレス周波数変換が可能であることが確認された。
• エネルギーを1つのモードから別のモードへ移動させることで、ノイズの追加なしに、マイクロ波モードの基底状態冷却が可能である。
• 散乱行列は独立な複素係数が8つだけの最小形式で導出され、デバイスの性能は方程式(35)を介してデチューニングおよび結合パラメータと解析的に関連づけられている。
• 装置は本質的に損失のない構造であり、分散素子のみに依存するため、内部ノイズ源が最小限に抑えられ、量子限界での動作が可能である。