[论文解读] Cryogenic microwave link for quantum local area networks

W. K. Yam, Michael Renger+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文展示了一条连接两个稀释制冷机的低温微波量子链路，距离达6.6米，可在最高1 K的温度下实现鲁棒的两模压缩纠缠分发。该系统采用超导同轴传输线和低温放大技术，以保持量子相干性，实验验证了涨落-耗散定理，并为可扩展的分布式超导量子计算网络奠定了基础。

ABSTRACT

Scalable quantum information processing with superconducting circuits is expected to advance from individual processors located in single dilution refrigerators to more powerful distributed quantum computing systems. The realization of hardware platforms for quantum local area networks (QLANs) compatible with superconducting technology is of high importance in order to achieve a practical quantum advantage. Here, we present a fundamental prototype platform for a microwave QLAN based on a cryogenic link connecting two separate dilution cryostats over a distance of $6.6$ m with a base temperature of $52$ mK in the center. Superconducting microwave coaxial cables are employed to form a quantum communication channel between the distributed network nodes. We demonstrate the continuous-variable entanglement distribution between the remote dilution refrigerators in the form of two-mode squeezed microwave states, reaching squeezing of $2.10 \pm 0.02$ dB and negativity of $0.501 \pm 0.011$. Furthermore, we show that quantum entanglement is preserved at channel center temperatures up to $1$ K, paving the way towards microwave quantum communication at elevated temperatures. Consequently, such a QLAN system can form the backbone for future distributed quantum computing with superconducting circuits.

研究动机与目标

• 开发一种与超导量子处理器兼容的量子局域网（QLAN）硬件平台。
• 实现在独立稀释制冷机之间基于微波的远距离相干量子通信。
• 在真实热环境条件下，保持低温微波传输通道中的量子纠缠。
• 通过测量在最高1 K温度下纠缠的鲁棒性，实验验证超导量子链路中的涨落-耗散定理。
• 建立一种使用微波频率量子链路的可扩展、模块化分布式量子计算架构。

提出的方法

• 采用超导同轴微波传输线作为两台相距6.6米的稀释杜瓦之间的量子通信信道。
• 系统在两端均使用约瑟夫森参量放大器（JPA）在5.65 GHz频率下生成和检测两模压缩态。
• 采用低温高电子迁移率晶体管（HEMT）放大器和室温放大器增强信号，同时最小化附加噪声。
• 通过使用可加热的30 dB衰减器作为自校准黑体源，利用普朗克光谱法实现光子数校准。
• 通过四阶矩的参考态重构方法进行量子态重建，假设为高斯态以表征Wigner函数。
• 通过锁相环稳定泵浦频率为信号频率的两倍（ωp = 2ω0），并使用10 MHz铷标准时钟同步所有微波和数字组件。

实验结果

研究问题

• RQ1 低温微波链路是否能保持远程超导量子处理器之间6.6米距离的纠缠？
• RQ2 当链路温度升高至1 K时，纠缠分发的鲁棒性如何？
• RQ3 观测到的纠缠保真度温度依赖性是否验证了超导微波系统中涨落-耗散定理的适用性？
• RQ4 模块化低温微波链路是否可作为分布式量子计算架构的可扩展骨干？
• RQ5 采用超导传输线和HEMT放大器的低温微波链路在量子态保真度和噪声特性方面的性能如何？

主要发现

• 该系统成功在6.6米低温微波链路上实现了两模压缩纠缠的分发，中心温度为52 mK。
• 即使在链路温度升高至1 K时，纠缠仍被保持并可测量，证实了对热涨落的鲁棒性。
• 观测到的纠缠保真度温度依赖性与涨落-耗散定理的预测相符，验证了该定理在本系统中的适用性。
• 通过普朗克光谱法实现的光子数校准，使检测电压可直接映射为低温光子数，确保了准确的态重建。
• 采用四阶矩的参考态重构方法确认了所生成态的高斯性质，高阶累积量趋近于零，支持高斯近似。
• 整个系统通过10 MHz铷频率标准同步，确保了所有微波和数字组件的稳定运行。