[논문 리뷰] Quantum Acoustics: Propagating phonons coupled to a superconducting qubit

M. Gustafsson, Thomas Aref외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 01.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 음파—정량화된 기계적 진동—가 초전도 큐비트와 강하게 결합되어 양자 정보의 전파 매개체로 작용할 수 있음을 보여주며, 광학 양자 광학과 유사한 음파 기반의 양자 정보 전송을 가능하게 한다. 핵심 결과는 음파의 느린 속도와 강한 결합 덕분에 이전에는 접근할 수 없었던 양자 영역을 실현한 시스템을 구현한 것이다.

ABSTRACT

Atoms, ions, and superconducting qubits are all examples of quantum objects, capable of producing and processing individual quanta of light, known as photons. Mechanical movement can be quantized in the same way as light, into particles of vibration known as phonons. Recent experiments have shown that quantum information generated in qubits can be converted to vibrations in mechanical resonators, which resemble miniature drum skins or piano strings. Such resonators restrict motion to their discrete and stationary modes, and thus serve as \emph{local storage units} for phonons. Here, we demonstrate the use of phonons as \emph{propagating carriers} of quantum information, by coupling them strongly to a superconducting qubit. The phonons thus serve the same role as itinerant photons have in the field of quantum optics. Due to the low speed of sound and a potential for very strong coupling, the use of propagating phonons as quantum carriers allows regimes to be explored which are difficult or impossible to reach with photons.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보의 이동 가능한 전파 매개체로 음파를 사용하는 것을 탐색하는 것, 즉 국소화된 저장 장치로만 사용하는 것과는 다름.
• 기계 진동자에서 음파의 느린 속도와 강한 결합을 활용하여 광학 시스템의 한계를 극복하는 것.
• 초전도 큐비트와 전파되는 음파 사이의 양자 인터페이스를 구축하여, 양자 광학에서 광자의 기능을 모방하는 것.
• 기존 광학 시스템을 사용할 때 어려움이나 불가능한 접근이었던 새로운 양자 영역을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 이산적 진동 모드를 지닌 기계 진동자를 초전도 큐비트와 강하게 결합한 구조를 사용.
• 큐비트에서 온 양자 정보가 진동자의 전파되는 음파로 일관성 있게 전달되도록 결합을 설계.
• 소리의 낮은 군속도를 활용하여 상호작용 강도를 향상시키고 강한 결합 영역을 가능하게 함.
• 음파가 진동자 내에서 전파되어 이동 가능한 양자 매개체로 기능하도록 시스템을 설계.
• 고해상도 일관성을 확보하기 위해 회로 양자 전기역학(cQED) 아키텍처를 사용해 큐비트-음파 상호작용을 매개.
• 큐비트에서 음파 장으로의 양자 상태의 일관성 있는 전달을 실험적으로 입증하여, 음파 기반의 양자 상태 이동을 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 음파는 양자 광학에서 광자의 역할과 유사하게 전파되는 양자 정보 매개체로 사용될 수 있는가?
• RQ2 특히 결합 강도와 전파 속도 측면에서 음파를 광파보다 사용할 경우의 장점은 무엇인가?
• RQ3 초전도 큐비트와 전파되는 음파 사이에 강한 결합을 달성하여 일관성 있는 양자 상태 전달을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 음파를 양자 매개체로 사용할 경우 어떤 새로운 양자 영역가 접근 가능해지는가?

주요 결과

• 음파가 초전도 큐비트와 성공적으로 결합되었으며, 양자 정보의 전파 매개체로 기능함을 입증하였다.
• 소리의 느린 속도와 높은 기계 품질 인자 덕분에 큐비트와 음파 사이에 강한 결합이 달성되었다.
• 큐비트에서 음파 장으로의 양자 상태 전달이 관측되어 음파 기반의 양자 상태 이동의 가능성이 확인되었다.
• 음파의 사용은 기존 광학 시스템을 사용할 때 어려움이나 불가능한 양자 영역에 접근할 수 있도록 하였다.