[論文レビュー] Generation of Microwave Single Photons and Homodyne Tomography on a Chip

M. Mariantoni, M. J. Storcz+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2005

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、超伝導共振器に結合されたメタ安定フラックス基底キュービットを用いて、確定的（デターミニスティック）に静止および伝搬するマイクロ波フォトン1個状態を生成するためのラーマン励起方式を提案する。また、ノイズを含む増幅器でも正確に量子場観測量を測定できる、新規のマイクロ波ホモダイン技術を導入し、マイクロ波フォトンのオンチップ量子状態工学およびトモグラフィーの分野を前進させる。

ABSTRACT

We propose a method to couple metastable flux-based qubits to superconductive resonators based on a quantum-optical Raman excitation scheme that allows for the deterministic generation of stationary and propagating microwave Fock states and other weak quantum fields. Moreover, we introduce a suitable microwave quantum homodyne technique, with no optical counterpart, that enables the measurement of relevant field observables, even in the presence of noisy amplification devices.

研究の動機と目的

• 超伝導回路を用いてマイクロ波フォック状態を確定的に生成することを可能にする。
• 増幅器のノイズが存在する中で弱いマイクロ波量子場を正確に測定する課題に取り組む。
• フラックス基底キュービットと共振器を制御的に結合するための量子光学的ラーマン方式を構築する。
• 光学的類似物が存在しないマイクロ波特有のホモダイン技術を導入し、場の状態再構成を可能にする。
• スケーラブルなオンチップ量子状態工学およびマイクロ波場の測定を実現する。

提案手法

• 量子光学的ラーマン励起方式を用いて、メタ安定フラックスキュービットと超伝導共振器間で状態の人口をコherently転送する。
• マイクロ波フォトン1個の生成を媒介するために、中間状態としてのメタ安定フラックス基底キュービットを採用する。
• 超伝導回路に特化したマイクロ波ホモダイン検出プロトコルを設計し、場の四分位量の測定を可能にする。
• 増幅ノイズが検出系に及ぼす影響を低減するノイズ耐性の高い測定技術を統合する。
• スケーラブルな量子情報処理を実現するため、フォトン生成と測定プロトコルを1チップに統合する。
• キュービット-共振器相互作用の量子制御に依存し、高精度なフィデリティでフォック状態の生成と特徴付けを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラーマン励起方式は、超伝導回路内でマイクロ波フォトン1個を確定的に生成可能か？
• RQ2 ノイズを含む増幅装置で増幅された弱いマイクロ波量子場を、正確に測定する方法は何か？
• RQ3 光学的類似物が存在しないマイクロ波周波数特有のホモダイン測定技術を実装する可能性は何か？
• RQ4 フォトン生成とトモグラフィーのオンチップ統合は、スケーラブルな量子状態工学を可能にするか？
• RQ5 メタ安定フラックスキュービットは、マイクロ波フォック状態のコherentかつ制御された放出を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 提案されたラーマン方式により、制御されたキュービット-共振器結合を介して、静止および伝搬するマイクロ波フォック状態を確定的に生成可能である。
• ノイズを含む増幅条件下でも、場の観測量を測定可能な新規のマイクロ波ホモダイン技術が開発された。
• 本手法は、マイクロ波場のフォトン生成および量子状態トモグラフィーのオンチップ実装を支援する。
• 本方式は超伝導量子回路と互換性があり、高精度な状態準備および測定を可能にする。
• ホモダイン技術に光学的類似物が存在しないことから、マイクロ波量子オプティクスに特有の適性が顕著に現れている。
• 本フレームワークにより、光学的要素を一切用いずにマイクロ波部品のみでスケーラブルな量子状態工学が実現可能となり、統合量子技術の発展に貢献する。