[논문 리뷰] To catch and reverse a quantum jump mid-flight

Zlatko Minev, Shantanu Mundhada외 7명|RePEc: Research Papers in Economics|2018. 03. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 보조 상태를 모니터링하여 초전도 큐비트에서 양자 점프를 실시간으로 탐지하고 뒤집는 것을 보여주며, 점프의 시작이 예측 가능하고 비행 중에 뒤집을 수 있음을 입증한다. 실험은 실시간 피드백을 사용하여 98%의 정밀도로 점프를 잡고 되돌리는 방식으로 양자 궤적 이론을 확인한다.

ABSTRACT

Quantum physics was invented to account for two fundamental features of measurement results -- their discreetness and randomness. Emblematic of these features is Bohr's idea of quantum jumps between two discrete energy levels of an atom. Experimentally, quantum jumps were first observed in an atomic ion driven by a weak deterministic force while under strong continuous energy measurement. The times at which the discontinuous jump transitions occur are reputed to be fundamentally unpredictable. Can there be, despite the indeterminism of quantum physics, a possibility to know if a quantum jump is about to occur or not? Here, we answer this question affirmatively by experimentally demonstrating that the jump from the ground to an excited state of a superconducting artificial three-level atom can be tracked as it follows a predictable "flight," by monitoring the population of an auxiliary energy level coupled to the ground state. The experimental results demonstrate that the jump evolution when completed is continuous, coherent, and deterministic. Furthermore, exploiting these features and using real-time monitoring and feedback, we catch and reverse a quantum jump mid-flight, thus deterministically preventing its completion. Our results, which agree with theoretical predictions essentially without adjustable parameters, support the modern quantum trajectory theory and provide new ground for the exploration of real-time intervention techniques in the control of quantum systems, such as early detection of error syndromes.

연구 동기 및 목표

• 양자 점프가 전통적으로 본질적으로 예측 불가능하다고 여겨지지만, 실시간으로 탐지하고 뒤집을 수 있는지 테스트하기 위해.
• 실제로 연속적이고 일관된 양자 점프의 진화를 관찰하여 양자 궤적 이론을 실험적으로 검증하기 위해.
• 점프가 완료되기 전에 양자 시스템에 결정적인 간섭을 가능하게 하는 피드백 프로토콜을 개발하기 위해.
• 양자 정보 시스템에서 오류 탐지 및 수정의 기초로 하기 위해, 양자 점프의 조기 탐지를 구현하기 위해.

제안 방법

• 실험은 지름내기 상태 |G⟩와 어둠진 상태 |D⟩ 사이의 은폐된 전이를 가진 초전도 삼수준 인공 원자(트랜스몬 큐비트)를 사용한다.
• 빛나는 상태 |B⟩는 라비 드라이브 Ω_BG를 통해 |G⟩와 결합되며, 이 상태의 인구는 마이크로파 공진기로 연속적으로 모니터링되어 |G⟩ 및 |D⟩ 상태의 간접적 추론이 가능하다.
• 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 제어기에서 실시간 신호 처리가 이루어지며, 반사된 마이크로파 프로브를 분석하여 |B⟩ 상태의 인구 감소를 탐지함으로써 곧바로 발생할 점프의 신호를 포착한다.
• 점프가 탐지되면 피드백 펄스가 적용되어 점프가 완료되기 전에 시스템을 |G⟩ 상태로 되돌린다.
• 시스템은 |G⟩에서 |B⟩로의 전이 제어와 공진기 상태를 분리하기 위해 이색주기 드라이브를 사용한다.
• 양자 상태 토모그라피와 정밀도 분석을 통해 과정의 뒤집힘과 일관성이 확인된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 점프가 본질적으로 무작위이지만, 점프가 완료되기 전에 탐지할 수 있는가?
• RQ2 양자 궤적 이론이 예측한 바와 같이, 양자 점프의 진화는 연속적이고 일관적이며 결정적인가?
• RQ3 실시간 피드백을 사용하여 비행 중인 양자 점프를 뒤집을 수 있는가?
• RQ4 뒤집기 과정의 정밀도는 얼마이며, 무작위 간섭과 비교했을 때 어떻게 되는가?
• RQ5 이 방법은 양자 정보 시스템에서 오류를 탐지하고 수정하는 데 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 점프가 |G⟩에서 |D⟩로 이동하기 전에 3.95 μs의 탐지 가능한 '지연'이 있으며, 이 동안 시스템은 예측 가능한 비행 경로를 따른다.
• 점프의 진화는 연속적이고 일관적이며 결정적이며, 비행 중 뒤집기의 정밀도가 98%이다.
• 점프 사이 평균 간격은 220 ± 5 μs이며, 시스템은 |D⟩ 상태에 30.8 ± 0.4 μs 동안 머물렀다가 다시 |G⟩로 붕괴된다.
• 점프 비행 중점에서 피드백 뒤집기 프로토콜을 적용할 경우 성공 확률이 98%에 이른다.
• 시스템의 일관성 시간(T₁ = 116 ± 5 μs, T₂ = 120 ± 5 μs)은 실시간 제어의 가능성을 뒷받침한다.
• 실험 결과는 조정 가능한 매개변수 없이 양자 궤적 이론과 일치하며, 이론의 예측 능력을 확인한다.