[论文解读] A Phononic Bus for Coherent Interfaces Between a Superconducting Quantum Processor, Spin Memory, and Photonic Quantum Networks

Tomáš Neuman, Matt Eichenfield+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种声子总线，通过压电转换和自旋-应变耦合，实现了超导微波量子比特、硅空位中心中的自旋量子比特与光子网络之间的高保真度量子态转换。该方案具有兆赫量级带宽和优化的声子腔，实现了超过99%的量子态转移保真度，从而实现了具备长寿命存储、高保真度门操作和远距离连通性的可扩展混合量子架构。

ABSTRACT

We introduce a method for high-fidelity quantum state transduction between a superconducting microwave qubit and the ground state spin system of a solid-state artificial atom, mediated via an acoustic bus connected by piezoelectric transducers. Applied to present-day experimental parameters for superconducting circuit qubits and diamond silicon vacancy centers in an optimized phononic cavity, we estimate quantum state transduction with fidelity exceeding 99\\% at a MHz-scale bandwidth. By combining the complementary strengths of superconducting circuit quantum computing and artificial atoms, the hybrid architecture provides high-fidelity qubit gates with long-lived quantum memory, high-fidelity measurement, large qubit number, reconfigurable qubit connectivity, and high-fidelity state and gate teleportation through optical quantum networks.

研究动机与目标

• 通过将超导量子比特与固态人造原子集成，解决其在相干时间、远距离连通性、量子比特可扩展性和读出保真度方面的局限性。
• 利用声子总线作为中介，实现在不同量子系统（微波量子比特、自旋量子比特和光子网络）之间实现高保真度、相干的量子态转移。
• 利用超导电路（高速、高保真度门操作）和人造原子（长相干时间、光学连通性）的互补优势，实现可扩展的量子信息处理。
• 展示具备确定性自旋寻址、长寿命量子存储和通过光学量子 teleportation 与量子互联网集成的混合量子架构的可行性。

提出的方法

• 通过自旋-应变耦合和压电转换，设计声子腔以实现单个声子与硅空位（SiV−）中心电子自旋之间的强耦合。
• 该系统采用四重界面量子架构：微波到声子、声子到自旋、自旋到核自旋（用于存储）、自旋到光学光子（用于网络连接）。
• 采用主方程方法对声子到自旋的转换进行建模，引入实验测定的超导通量量子比特和SiV−中心的参数。
• 推导出时间调制的有效耦合哈密顿量，以实现Mølmer-Sørensen型门，通过共享声子模式实现两个电子自旋的纠缠。
• 在旋转波近似下，推导出有效耦合强度 $ g_{\rm M-S} \approx \frac{(g_{\rm eff}^{0})^2}{8\delta_{\rm MS}} $，实现 $ |{\rm gg},0\rangle $ 和 $ |{\rm ee},0\rangle $ 之间的相干布居转移。
• 该设计实现了最小退相干的确定性、高保真度态转移，通过在真实退相干速率下的布居动力学模拟得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 声子总线能否在超导微波量子比特与人造原子中的自旋量子比特之间实现高保真度的量子态转移？
• RQ2 在声子腔中利用压电和自旋-应变耦合，微波与自旋自由度之间的转换可实现多高的保真度？
• RQ3 该混合架构如何在单一平台上实现长寿命量子存储和可扩展的远距离连通性？
• RQ4 该系统能否通过共享声子模式实现多个自旋量子比特的确定性纠缠制备？
• RQ5 在兆赫量级带宽下，实现接近保真度1的态转移，其最优腔体和耦合参数是什么？

主要发现

• 在当前实验参数下，超导微波量子比特与SiV−中心电子自旋之间的量子态转换保真度超过99%。
• 声子腔设计实现了单个声子与SiV−自旋之间的强耦合，使兆赫量级带宽下的高保真度态转移成为可能。
• 通过与13C核自旋的超精细耦合，系统实现了长寿命量子存储，相干时间超过一分钟。
• 该架构支持高保真度门操作和通过光学网络的态 teleportation，实现远距离连通性。
• 模拟结果表明，$ |{\rm gg},0\rangle $ 和 $ |{\rm ee},0\rangle $ 之间的布居实现相干转移，保真度与理想值 $ 0.5[\cos(2g_{\rm MS}t)+1] $ 一致，证实了有效Mølmer-Sørensen门操作。
• 该方案可通过共享声子模式实现两个电子自旋的GHZ纠缠态的确定性制备，且在真实退相干条件下保真度得以保持。