[论文解读] The squeezed Kerr oscillator: spectral kissing and phase-flip robustness

Nicholas Frattini, Rodrigo G. Cortiñas+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 20

一句话总结

论文在 SNAIL-跨导电路中实现了一个被挤压的 Kerr 振子，验证静态有效哈密顿量，并展示了高保真度 QND 读出以及由于谱亲吻导致的阶梯状基态寿命的 Kerr-cat 量子比特。

ABSTRACT

By applying a microwave drive to a specially designed Josephson circuit, we have realized an elementary quantum optics model, the squeezed Kerr oscillator. This model displays, as the squeezing amplitude is increased, a cross-over from a single ground state regime to a doubly-degenerate ground state regime. In the latter case, the ground state manifold is spanned by Schrödinger-cat states, i.e. quantum superpositions of coherent states with opposite phases. For the first time, having resolved up to the tenth excited state in a spectroscopic experiment, we confirm that the proposed emergent static effective Hamiltonian correctly describes the system, despite its driven character. We also find that the lifetime of the coherent state components of the cat states increases in steps as a function of the squeezing amplitude. We interpret the staircase pattern as resulting from pairwise level kissing in the excited state spectrum. Considering the Kerr-cat qubit encoded in this ground state manifold, we achieve for the first time quantum nondemolition readout fidelities greater than 99%, and enhancement of the phase-flip lifetime by more than two orders of magnitude, while retaining universal quantum control. Our experiment illustrates the crucial role of parametric drive Hamiltonian engineering for hardware-efficient quantum computation.

研究动机与目标

• 在 cQED 中 motivate 并实现一个与静态有效被挤压 Kerr 哈密顿量一致的驱动非线性振荡器。
• 在增加挤压时，展示由 Kerr-cat 状态张成的双简并基态流形的出现。
• 表征成对能级亲吻的光谱指纹及其与理论的一致性且无自由参量。
• 量化 Kerr-cat 量子比特的相干性质，包括基态和猫态寿命，并评估对噪声和驱动的鲁棒性。

提出的方法

• 以通过两只 SNAIL 阵列跨导的跨线性振荡器实现的 Kerr 及高阶非线性因素的驱动哈密顿量作为起点。
• 在振荡器频率附近施加强微波驱动，使系统进入被挤压的 Kerr 区域。
• 推导并在旋转坐标系中对静态有效哈密顿量 H_SK/hbar = epsilon_2(a^†2 + a^2) - K a^†2 a^2 进行对角化，并将谱与实验比较。
• 通过频谱测量和时域读出探测系统，观察基态简并性及势阱间动力学。
• 利用频率转换的分束器相互作用实现量子非破坏性读出，监测超势阱占据和猫态相干性。
• 用 Lindblad 框架对耗散进行建模，包括单光子损耗、有限浴温和去相干性，以解释寿命阶梯。

实验结果

研究问题

• RQ1 驱动电路在实验条件下是否实现了静态有效的被挤压 Kerr 哈密顿量？
• RQ2 随着挤压幅度的增加， Kerr振荡器的激发态光谱和基态简并性（谱亲吻）如何变化？
• RQ3 随着挤压增大，相干态和猫态的寿命是什么，是否可以通过高保真度 QND 读出实现相位翻转鲁棒性？
• RQ4 在真实耗散下，编码在基态极群的 Kerr-cat 量子比特是否能实现高保真测量和增强相位稳定性？
• RQ5 对有效哈密顿量的无参量对角化在多大程度上描述观测到的光谱特征？

主要发现

• 光谱学表明，随挤压增大从非简并光谱跃迁到成对简并光谱的变化，与静态有效哈密顿量的无参量对角化一致。
• 基态流形是二重简并，由偶态和奇态 Kerr-cat 状态 |C_α^±> 张成，其中 α^2 = ε_2/K，|α|^2 = 8.5 在所示实例中。
• 基态（Kerr-cat）相干寿命 T_X 随挤压的增加呈阶梯状上升，这是由于成对能级亲吻和经由势阱之间的隧穿受抑制所致。
• Kerr-cat 量子比特的量子非破坏性读出保真度超过 99%，在驱动和磁通噪声下观察到去相干不敏感行为。
• 相干态寿命达到约 100 µs（如在所选点 T_X ≳ 97 µs），猫态寿命 T_YZ>5 µs，在某些工作状态下以去谐波泵浦实现毫秒级改进。
• 论文证明可以将玻尔的行动量化应用于一个非平衡驱动系统，并且参量驱动工程实现了硬件高效的量子计算。