[논문 리뷰] Partial Measurements of Quantum Systems

Jonathan Monroe|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 17.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트 실험에서 정밀한 펄스 시퀀스를 생성하기 위한 객체 지향 프로그래밍 프레임워크를 제시한다. 펄스 클래스는 마이크로파 드라이브 파arameter를 관리하고, 시퀀스 클래스는 시간 순서로 정렬된 펄스의 배열을 구성한다. 이 방법은 단일 사이드밴드 변조를 통해 큐비트의 공명 제어를 가능하게 하며, Rabi 및 라미지 스펙트로스코피와 같은 실험 워크플로우를 모듈러하고 재사용 가능한 코드로 지원한다.

ABSTRACT

Projective measurement is a commonly used assumption in quantum mechanics. However, advances in quantum measurement techniques allow for partial measurements, which accurately estimate state information while keeping the wavefunction intact. In this dissertation, we employ partial measurements to study two phenomena. First, we investigate an uncertainty relation -- in the style of Heisenberg's 1929 thought experiment -- which includes partial measurements in addition to projective measurements. We find that a weak partial measurement can decrease the uncertainty between two incompatible (non-commuting) observables. In the second study, we investigate the foundation of irreversible dynamics resulting from partial measurements. We do so by comparing the forward and time-reversed probabilities of measurement outcomes resulting from post-selected feedback protocols with both causal and reversed-causal order. We find that the statistics of partial measurements produce entropy in accordance with generalized second laws of thermodynamics. We perform these experiments using superconducting qubits. This dissertation also describes the fabrication process for these devices and details a novel fabrication technique that allows fast, single-step lithography of Josephson-junction superconducting circuits. The technique simplifies processing by utilizing a direct-write photolithography system, in contrast to traditional electron-beam lithography. Despite their large lithographic area, Josephson junctions made with this method have low critical currents and high coherence times.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트 프로세서에서 복잡한 마이크로파 펄스 시퀀스를 생성하기 위한 체계적이고 재사용 가능한 소프트웨어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 파라미터화된 펄스 객체를 통해 파형의 위상과 주파수 일관성을 확보하여 큐비트 및 캐비티 드라이브를 정밀하게 제어하기 위해.
• Rabi 및 라미지 스펙트로스코피와 같은 실험 워크플로우를 시간 순서 행렬로 정렬하여 체계적으로 지원하기 위해.
• 펄스 생성 로직을 하드웨어 제어에서 분리하기 위해 펄스 파rameter와 시퀀스 조합을 추상화함으로써.
• 모든 펄스의 위상 기준을 동일한 시간 기준점(시작 시점)에 고정함으로써 다중 펄스 시퀀스에서 위상 일관성을 확보하기 위해.

제안 방법

• Pulse 클래스는 지속시간, 시작 시간, 진폭, SSM 주파수, 위상 등의 핵심 파arameter를 캡슐화하며, 선택적 파arameter는 기본값을 제공한다.
• 펄스는 로컬 옥타브 주파수를 이동시키고 캐리어 누설을 방지하기 위해 단일 사이드밴드 변조(SSF)를 사용하여 생성되며, RF 출력은 다음과 같이 주어진다: $\mathrm{RF}(t) = \cos(\omega_{\rm LO}t)\cdot\mathrm{I}(t) + \sin(\omega_{\rm LO}t)\cdot\mathrm{Q}(t)$.
• Sequence 클래스는 각 스텝이 시간 포인트(1 GS/s에서 1 ns 해상도)에 해당하는 펄스 시퀀스 매트릭스로 펄스를 정렬한다. 또한 지속시간과 같은 다양한 스위프 유형을 지원한다.
• add_sweep() 메서드는 스위프 파aram터에 따라 각 스텝에 수정된 펄스를 삽입하여 펄스 지속시간 또는 진폭을 체계적으로 변화시킨다.
• 펄스 진폭은 시퀀스 매트릭스 내에서 float 배열로 저장되며, 채널 및 마커 출력은 네 개의 채널과 네 개의 마커로 구성된 channel_list 구조를 통해 관리된다.
• 모든 위상은 초기 시간(t=0)을 기준으로 정의되어 있어 위상 일관성이 유지되며, 이는 다중 펄스 시퀀스에서의 공명 제어에 필수적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 객체 지향 접근 방식이 양자 제어 실험에서 펄스 시퀀스 생성의 모듈성과 유지보수성 향상에 기여하는가?
• RQ2 마이크로파 펄스의 위상 및 주파수 제어를 어떻게 인코딩할 수 있을까? 이를 통해 다중 펄스 작동 중 큐비트의 위상 일관성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 펄스 지속시간 또는 진폭을 체계적으로 스위프하면서도 시간 정밀도와 하드웨어 호환성을 유지하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 어떤 소프트웨어 추상화가 Rabi 및 라미지 스펙트로스코피와 같은 다양한 실험 간에 펄스 정의를 효율적으로 재사용할 수 있게 하는가?
• RQ5 임의의 파형 생성기(AWG) 메모리 제약(예: 2의 거듭제곱 간격)이 시퀀스 생성 파이프라인 내에서 자연스럽게 지원될 수 있는가?

주요 결과

• Pulse 클래스는 SSM 주파수와 위상까지 포함한 마이크로파 펄스의 모든 핵심 파arameter를 캡슐화하여 일관되고 재사용 가능한 펄스 정의를 가능하게 했다.
• Sequence 클래스는 add_sweep() 메서드를 통해 펄스 지속시간과 같은 변수 스위프 파aram터를 활용해 체계적인 펄스 시퀀스 생성을 가능하게 했다.
• 모든 위상을 초기 시간(t=0)에 기반하여 정의함으로써 다중 펄스 시퀀스에서 위상 일관성이 유지되었으며, 이는 라미지 간섭계 실험과 같은 실험에 매우 중요했다.
• 프레임워크는 1 GS/s 샘플링 및 2의 거듭제곱 길이의 시퀀스와 같은 하드웨어 제약 조건을 지원하여 AWG 메모리 구조와의 호환성을 확보했다.
• 네 개의 채널과 네 개의 마커를 관리하는 channel_list의 사용은 I/Q 및 트리거 출력의 영리한 구성 가능성을 제공했으며, 공유 채널에 대해 중복된 마커 항목은 무시되었다.
• Pulse 클래스의 toString() 및 make() 메서드는 유용한 디버깅 및 데이터 내보내기 기능을 제공했고, copy() 메서드를 통해 펄스 인스턴스의 안전한 조작이 가능했다.