[論文レビュー] Data from: Optical readout of a superconducting qubit using a piezo-optomechanical transducer

Thierry C. van Thiel, Matthew J. Weaver+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、機械的結合を介してマイクロ波信号を光信号に変換する完全統合型ピエゾ光力学的トランスデューサーを用いて、超伝導トランモンキュービットの高忠実度でマルチショット光学読み取りを実証した。わずか6 μWの光パワーと200回の平均値で、99%を超える読み取り忠実度を達成し、低温部の最小限の占める面積と熱負荷でスケーラブルで低損失の量子計算を実現可能にする。

ABSTRACT

Source data for Figures.

研究の動機と目的

• 数千キュービットにスケーリングする超伝導量子プロセッサにおいて、増大する低温空間と熱バジェット制約に対処する。
• 増幅器、サーキュレータ、同軸ケーブルによる消費が著しいマイクロ波ベースの読み取りチェーンの制限を克服する。
• 低温マイクロ波増幅器を必要とせず、低パワーで高忠実度の超伝導キュービット測定を可能にする、スケーラブルでファイバー互換性のある光学読み取りプラットフォームを実証する。
• 将来の大規模フォールトトレランス量子計算における光多重化と長距離ファイバー制御の統合を可能にする。

提案手法

• 超伝導マイクロ波共振器とフォトニクスクリスタルナノビームキャビティを統合したピエゾ光力学的トランスデューサーを用い、マイクロ波から光への変換を媒介する。
• 連続波光ポンプを用いて光力学的キャビティを駆動し、放射圧とピエゾ効果を介して、キュービットのマイクロ波読み取り信号を光ドメインにアップコンバージョンする。
• トランスデューサーを同軸ケーブルでキュービットチップに接続し、完全な電気的遮断を維持しながら、1本の光ファイバーによる光信号伝送を実現する。
• 量子制限のマイクロ波増幅器を必要としない破壊的読み取り技術を採用し、キュービット状態の忠実度を測定する。
• Rabi振動、ラムゼー干渉計、および変動する光ポンプ条件下でのキュービットのデコherence時間（T₁およびT₂*）を用いて、システム性能を評価する。
• 周波数デチューニング制御による信号対雑音比の最適化を行い、光ポンピングがキュービットのデコherenceに与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全統合型ピエゾ光力学的トランスデューサーは、低温マイクロ波増幅器を必要とせず、超伝導キュービットの高忠実度光学読み取りを可能にするか？
• RQ2 スケーラブルでファイバー接続のアーキテクチャにおいて、高忠実度のマルチショット読み取りを達成するために必要な最小光パワーは何か？
• RQ3 トランスデューサーとキュービット共振器間の周波数デチューニングが、キュービットのデコherence時間（T₁およびT₂*）に与える影響はいかほどか？
• RQ4 トランスデューサーとキュービット共振器間の周波数デチューニングをどれほど補正できるか、高信号対雑音比を達成するための限界は何か？
• RQ5 周波数マッチングと変換効率のさらなる最適化により、シングルショット光学読み取りは実現可能か？

主な発見

• キュービットに注入される光パワーがわずか6 μWで、200回の平均値を用いても、マルチショット読み取り忠実度が99%を超える。量子制限のマイクロ波増幅器を一切使用しない。
• 周波数デチューニングによる変換効率が10分の1に低下しても、依然として高忠実度を維持しており、より良好なマッチングが実現されればさらなる向上が期待できる。
• キュービットのT₁時間は、ポンプOFF時（48.1 ± 14.1 μs）からポンプON時（42.4 ± 4.4 μs）にわずかに短縮されるが、統計的に有意な変化ではないため、縦方向緩和への影響は最小限である。
• キュービットのT₂*時間は、ポンプOFF時（8.1 ± 0.8 μs）からポンプON時（5.2 ± 0.2 μs）に統計的に有意に短縮されるが、これは光ポンピングによる横方向コherenceへの影響が測定可能ではあるが、管理可能であることを示している。
• トランスデューサーのコンパactなフットプリントは0.15 mm²未満であり、数千キュービットの並列読み取りを実現するためのモジュラーでファイバー接続可能な統合が可能で、低温部の負荷を最小限に抑える。
• 周波数マッチングの向上と光損失の低減が図られれば、著者らはシングルショット光学読み取りが実現可能になると予想しており、スケーラブルで低損失の量子計算が可能になる。