[论文解读] A driven quantum superconducting circuit with multiple tunable degeneracies

Jayameenakshi Venkatraman, Rodrigo G. Cortinas+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种受驱动的超导量子电路，通过挤压驱动在Kerr振荡器中实现了多个可调谐的能谱简并，当失谐Δ等于Kerr系数的偶数倍（Δ/K = 2m）时，可实现精确的宇称保护简并。该系统表现出非相干势阱跃迁的峰化抑制，从而形成一种具有增强寿命的超保护猫态量子比特，为通过工程化量子干涉实现容错量子信息处理提供了新途径。

ABSTRACT

We present the experimental discovery of multiple simultaneous degeneracies in the spectrum of a Kerr oscillator subjected to a squeezing drive. This squeezing, in combination with the Kerr interaction creates an effective static two-well potential in the frame rotating at half the frequency of the sinusoidal driving force. Remarkably, these degeneracies can be turned on-and-off on demand, and their number is tunable. We find that when the detuning $Δ$ between the frequency of the oscillator and characteristic frequency of the drive equals an even multiple of the Kerr coefficient $K$, $Δ/K = 2m$, the oscillator displays $m + 1$ exact, parity-protected, spectral degeneracies, insensitive to the drive amplitude. The degeneracies stem from the unusual destructive interference of tunnel paths in the classically forbidden region of the double well static effective potential that models our experiment. Exploiting this interference, we measure a peaked enhancement of the incoherent well-switching lifetime creating a super-protected cat qubit in the ground state manifold of our oscillator. {Our results demonstrate the relationship between degeneracies and noise protection in quantum systems.

研究动机与目标

• 通过受驱动的Kerr系统，在非线性超导振荡器中实现多个可调谐的谱简并。
• 证明这些简并对驱动幅度具有鲁棒性，并源于双势阱势垒中破坏性量子干涉。
• 通过受控的简并调谐，实现具有增强非相干势阱跃迁寿命的超保护猫态量子比特。
• 建立一个用于研究电路量子电动力学中量子相变与噪声保护的新平台。
• 通过现场频率调谐，为猫态量子比特提供连续的Z门操作能力。

提出的方法

• 系统通过一个时间依赖的哈密顿量建模，描述了具有Kerr非线性和挤压驱动的正弦驱动非线性振荡器。
• 通过超越标准形式的旋转波近似，动力学被映射到具有双势阱势垒的静态有效哈密顿量。
• 有效哈密顿量包含失谐Δ、Kerr系数K和由驱动诱导的耦合ε₂，后者形成有限高度的双势阱势垒。
• 当Δ/K = 2m（m为整数）时，出现简并，导致m+1个精确的宇称保护能级交叉。
• 这些简并源于双势阱势垒中经典禁阻区域内的隧穿路径的破坏性干涉。
• 通过测量驱动频率和幅度下的系统谱，实验观测到在简并点处出现寿命峰值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，受驱动的Kerr振荡器会表现出多个精确的谱简并？
• RQ2 量子干涉如何抑制由挤压驱动形成的双势阱势垒中的隧穿？
• RQ3 能否独立且按需调节简并的数量和存在性？
• RQ4 简并对非相干量子比特退相干动力学有何影响？
• RQ5 该系统能否通过对称性保护的简并，实现具有增强相干性的容错猫态量子比特？

主要发现

• 当失谐Δ等于Kerr系数K的偶数倍（Δ/K = 2m）时，系统表现出m+1个精确的宇称保护谱简并，且与驱动幅度无关。
• 这些简并源于有效双势阱势垒中经典禁阻区域内的隧穿路径的破坏性干涉。
• 在简并点处观测到非相干势阱跃迁寿命的峰化增强，从而定义了超保护猫态量子比特。
• 系统通过现场调节驱动频率，实现了猫态量子比特的连续Z门操作。
• 有效哈密顿量在简并点处支持离散的精确对称性，以及抑制基态和激发态隧穿分裂的连续近似对称性。
• 实验结果证实了挤压驱动Kerr振荡器中双稳态和噪声鲁棒性的理论预测，谱测量和寿命测量均与理论预测定量吻合。