[논문 리뷰] Detecting itinerant microwave photons with engineered non-linear dissipation

Raphaël Lescanne, S. Deléglise외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 13.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 41인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 공 ing된 비선형 소산을 기반으로 한 새로운 마이크로파 포톤 검출기의 구현을 제시한다. 전이모드 큐비트는 펌프 구동 3파면 혼합 과정을 통해 이동하는 포톤을 감지하며, 이 과정에서 포톤 에너지가 큐비트로 비가역적으로 전달된다. 이 방식은 58%의 검출 효율과 기록적인 낮은 다크 카운트율 1.4 per ms를 달성하여, 포톤 도착 시간이나 파형에 대한 사전 지식 없이도 고정밀도, 저노이즈 검출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Single photon detection is a key resource for sensing at the quantum limit and the enabling technology for measurement based quantum computing. Photon detection at optical frequencies relies on irreversible photo-assisted ionization of various natural materials. However, microwave photons have energies 5 orders of magnitude lower than optical photons, and are therefore ineffective at triggering measurable phenomena at macroscopic scales. Here, we report the observation of a new type of interaction between a single two level system (qubit) and a microwave resonator. These two quantum systems do not interact coherently, instead, they share a common dissipative mechanism to a cold bath: the qubit irreversibly switches to its excited state if and only if a photon enters the resonator. We have used this highly correlated dissipation mechanism to detect itinerant photons impinging on the resonator. This scheme does not require any prior knowledge of the photon waveform nor its arrival time, and dominant decoherence mechanisms do not trigger spurious detection events (dark counts). We demonstrate a detection efficiency of 58% and a record low dark count rate of 1.4 per ms. This work establishes engineered non-linear dissipation as a key-enabling resource for a new class of low-noise non-linear microwave detectors.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트 회로에서 이동하는 마이크로파 포톤에 대한 저노이즈, 고효율 검출기 개발.
• macroscopic 효과를 유도할 만큼의 에너지가 부족한 저에너지 마이크로파 포톤을 감지하는 데 도전하는 문제 해결.
• 포톤 파형이나 도착 시간에 대한 사전 지식이 필요 없는 검출 메커니즘 구현.
• 역방향 과정을 방지하는 상관관계 있는 소산 메커니즘을 활용해 다크 카운트 최소화.
• 양자 정보 처리 및 양자 센싱 응용 분야에 적합한 확장 가능하고 연속 작동이 가능한 검출기 구현.

제안 방법

• 검출기는 포톤 수신용 버퍼 모드와 비가역적 포톤 소산용 웨이스트 모드에 결합된 트랜스몬 큐비트를 사용한다.
• 주니퍼슨 접합에 펌프 톤을 적용하여 공진 조건에서 3파면 혼합 과정을 유도함으로써 버퍼 모드의 포톤을 큐비트의 진동 상태로 전환하고, 웨이스트 모드의 포톤을 생성한다.
• 웨이스트 모드의 포톤은 전송선로와 강하게 결합되어 방출되며, 이로 인해 역방향 과정이 방지되고 단방향 검출이 보장된다.
• 큐비트 상태는 디스פרס브 리드아웃을 통해 측정되며, 포톤 흡수가 완료된 후에 이루어진다.
• 웨이스트 모드에 일관된 톤을 적용함으로써 큐비트를 신속하게 리셋할 수 있어 고 듀티 사이클의 연속 작동이 가능하다.
• 상태 토모그라피를 통해 위상 보존 증폭기와 모멘트 재구성 기법을 사용해 방출된 필드의 양자적 성격을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공인된 비선형 소산을 통해 포톤의 시간적 프로파일이나 도착 시간에 대한 사전 지식 없이도 고효율, 저다크카운트 마이크로파 포톤 검출이 가능한가?
• RQ2 이중 준위 시스템을 마이크로파 공진기와 어떻게 결합할 수 있는가? 이때 포톤 흡수 과정은 비가역적이며, 큐비트의 진동 상태가 검출의 신호가 되어야 한다.
• RQ3 공유 소산 채널을 통해 매개되는 시스템에서 달성 가능한 검출 효율과 다크 카운트율은 얼마인가?
• RQ4 빠른 리셋 기능을 통해 얼마나 높은 듀티 사이클로 연속 작동이 가능한가?
• RQ5 증폭기 노이즈가 존재하는 상황에서도 방출된 필드의 양자 상태 토모그라피를 통해 단일 포톤 존재 여부를 고정밀도로 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 검출기는 58%의 검출 효율을 달성하여 단일 마이크로파 포톤에 대해 매우 민감한 감지 성능을 보였다.
• 다크 카운트율은 1.4 per millisecond로 측정되었으며, 마이크로파 포톤 검출기 중 기록적인 낮은 수준이다.
• 주요 노이즈 원인이 false positive를 유도하지 않기 때문에, 검출 메커니즘은 디코herence에 대해 강건하다.
• 양자 상태 토모그라피 결과, 증폭기 노이즈가 존재하더라도 단일 포톤 방출의 Fock 상태와 일치하는 높은 정밀도로 검증되었다.
• 웨이스트 모드의 일관된 구동을 통해 빠른 리셋이 가능하여 고드티 사이클의 연속 작동이 가능하다.
• 측정된 필드 상태 분포에서 큐비트가 진동 상태일 경우 명확한 초과 노이즈가 관측되어 포톤 검출 및 상태 전달이 확인되었다.