[論文レビュー] Engineering Superconducting Phase Qubits

G. Blatter, V. B. Geshkenbeǐn+1 more|ArXiv.org|Dec 9, 1999

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、外部バイアスを用いずに自然に簡約化された二準位系を形成するため、$π$-ジャンクションを用いた超伝導位相キュービットの新規設計を提案する。位相スイッチを備えた五ジャンクションループを設計することで、著者らは『静的』なs波/d波/s波ジャンクションに類似したマクロな量子デバイスを実現し、位相的保護と環境結合の低減により、頑健なキュービット動作を達成した。

ABSTRACT

The superconducting phase qubit combines Josephson junctions into superconducting loops and defines one of the promising solid state device implementations for quantum computing. While conventional designs are based on magnetically frustrated superconducting loops, here we discuss the advantages offered by $π$-junctions in obtaining naturally degenerate two-level systems. Starting from a basic five-junction loop, we show how to construct degenerate two-level junctions and superconducting phase switches. These elements are then effectively engineered into a superconducting phase qubit which operates exclusively with switches, thus avoiding permanent contact with the environment through external biasing. The resulting superconducting phase qubits can be understood as the macroscopic analogue of the `quiet' s-wave-d-wave-s-wave Josephson junction qubits introduced by Ioffe {\it et al.} [Nature {\bf 398}, 679 (1999)].

研究の動機と目的

• 外部バイアスによる恒久的環境結合を回避する超伝導位相キュービット設計の開発。
• $π$-ジャンクションを活用し、超伝導ループ内で自然に簡約化された二準位系を実現すること。
• 連続的な外部制御を不要とするよう、位相スイッチのみを用いたキュービットの設計。
• イェフォフ他が提案した『静的』なs波/d波/s波ジャンクションキュービットのマクロな類似物を実現すること。
• 外部自由度への結合を最小限に抑えることで、コherenceと安定性を向上させること。

提案手法

• 従来のジャンクションと$π$-ジャンクションを併用した五ジャンクション超伝導ループを設計し、簡約化された二準位系を形成する。
• ジャンクション間の位相差の干渉パターンを用いて、キュービットの基底状態の簡約化を制御する。
• 外部電流やフラックスバイアスの代わりに、位相スイッチを主制御メカニズムとして実装する。
• ジョセフソン効果と量子干渉を活用し、キュービットを位相的に保護された状態に安定化させる。
• ジョセフソン結合項と位相依存エネルギー準位を含むハミルトニアンを用いてシステムをモデル化する。
• 基底状態の簡約化が、外部のフラストレーションではなく$π$-ジャンクションの対称性に起因することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部バイアスなしで、超伝導ループ内に$π$-ジャンクションを用いて自然に簡約化された二準位系を形成できるか？
• RQ2 $π$-ジャンクションの導入が、超伝導位相キュービットにおける位相的保護をどのように実現するか？
• RQ3 位相スイッチは、キュービット制御における従来の外部バイアスをどのように置き換えるか？
• RQ4 このようなデバイスのマクロな挙動は、イェフォフ他が提唱した『静的』なs波/d波/s波ジャンクションキュービットを模倣できるか？
• RQ5 恒久的な環境結合の不在が、キュービットのコherenceをどのように向上させるか？

主な発見

• 五ジャンクションループにおける$π$-ジャンクションのおかげで、対称性に起因する内在的基底状態の簡約化が実現され、外部磁場によるフラストレーションの必要がなくなる。
• 位相スイッチのみでキュービット状態を完全に制御可能であり、持続的な外部バイアスの必要がない。
• 本システムは、イェフォフ他が提唱した『静的』なs波/d波/s波ジャンクションキュービットのマクロな類似物を実現した。
• キュービットの簡約化は位相的に保護されており、局所的な環境フラクチュエーションへの感受性が低減される。
• 連続的な電流またはフラックスバイアスに起因するデ coherent パathway を回避する。
• 理論的解析により、$π$-ジャンクションの対称性に起因する基底状態の簡約化が、微小な摂動に対しても頑健であることが確認された。