[論文レビュー] One-step implementation of entanglement generation on microwave photons in distant 1D superconducting resonators

Ming Hua, Ming‐Jie Tao+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、共通の超伝導共振器（R）を量子バスとして用い、超伝導キュービットを必要とせずに、離れた1次元超伝導共振器（SRs）におけるマイクロ波光子の高精度なベル状態を生成するスケーラブルな量子バスベースデバイスを提案する。この方式は分散的領域で動作し、25.5ナノ秒以内に99.5％を超える精度で1段階でもつれ状態を生成可能であり、異なる共振器ペアで同時に複数のベル状態を生成する応用も可能である。

ABSTRACT

We present a scalable quantum-bus-based device for generating the entanglement on microwave photons (MPs) in distant superconducting resonators (SRs). Different from the processors in previous works with some resonators coupled to a superconducting qubit (SQ), our device is composed of some 1D SRs $r_j$ which are coupled to the quantum bus (another common resonator $R$) in its different positions simply, assisted by superconducting quantum interferometer devices. By using the technique for catching and releasing a MP state in a 1D SR, it can work as an entanglement generator or a node in quantum communication. To demonstrate the performance of this device, we propose a one-step scheme to generate high-fidelity Bell states on MPs in two distant SRs. It works in the dispersive regime of $r_j$ and $R$, which enables us to extend it to generate high-fidelity multi-Bell states on different resonator pairs simultaneously.

研究の動機と目的

• 離れた超伝導共振器におけるマイクロ波光子のもつれを生成するスケーラブルでキュービットフリーなアーキテクチャの開発。
• 超伝導キュービットに依存する従来の手法の制限を克服し、周波数チューニング範囲や結合の複雑さによるスケーラビリティの制限を回避すること。
• 共有の量子バスを用いて、離れた共振器間で1段階で高精度なベル状態を生成すること。
• 分散的領域における同時多対のベル状態生成の可能性を実証すること。
• ベル状態生成器または量子通信ノードとして機能させることで、長距離量子通信を支援すること。

提案手法

• デバイスは、超伝導量子干渉素子（SQUIDs）を介して複数の1次元SRs（r_j）に接続された中央の量子バス共振器Rを用い、異なる位置でチューナブルで局所的な結合を実現する。
• 制御された結合を用いて、伝送ラインからSRsにマイクロ波光子状態を捕らえ込み、局所的な量子操作を可能にする。
• 分散的領域（g_j/Δ_j ≪ 1）における1段階のユニタリ変換によりもつれを生成する。ここでg_jは結合強度、Δ_jはr_jとRとの周波数差（デチューニング）を表す。
• 分散的相互作用を活用して、直接結合を必要とせずに離れたSRs間のもつれを媒介する。これにより不要な相互作用を回避する。
• スケーラブルなプロトコルである：異なる共振器ペアの周波数をデチューニングすることで、独立したペアで複数のベル状態を同時に生成可能である。
• 数値シミュレーションにより、五つの共振器とキュービット（FRQ）サブシステムを用いて、|⟨Ψ|ρ′(t)|Ψ⟩|を用いて精度を計算することで、手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービットに依存せずに、離れた超伝導共振器内のマイクロ波光子のもつれを生成できるか？
• RQ2 1つの量子バス共振器が、複数の離れた共振器ペア間で高精度で1段階でベル状態を生成できるか？
• RQ3 異なる共振器ペアで同時に複数のベル状態を生成するという点で、この手法はスケーラブルか？
• RQ4 分散的領域におけるもつれ生成の精度は、デチューニングおよび結合強度にどのように依存するか？
• RQ5 このデバイスは、長距離量子通信のためのユニバーサルノードとして機能できるか？

主な発見

• 1段階の手法により、2つの離れた共振器間で25.5ナノ秒以内に99.5％の精度でベル状態を生成可能である。
• 分散的領域（g_j/Δ_j ≪ 1）で動作し、強い結合やキュービットを介した非線形性を必要とせず、高精度のもつれ生成が可能である。
• 五つの共振器とキュービットのサブシステムを用いた実証により、独立した2つの共振器ペアで同時に2つのベル状態を高精度で生成することが可能であることが示された。
• 残存相互作用に起因する精度の振動は、デチューニングを大きくするか、結合強度を小さくすることで最小限に抑えられる。
• デバイスはベル状態生成器または量子通信ノードとして機能可能であり、マイクロ波光子状態のキャッチ・アンド・リリースを支援できる。
• チューナブルな超伝導キュービットや複雑な結合ネットワークを必要としないため、スケーラビリティと実験的実現可能性が向上する。