[论文解读] A Quantum Single Photon Transistor in Circuit Quantum Electrodynamics

Lukas Neumeier, Martin Leib+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出一种基于电路量子电动力学的量子单光子晶体管，其中两个传输线通过两个相互作用的 transmon 量子比特耦合。一个光子在一条线中可通过强量子比特介导的相互作用，阻断或开启另一条线中的光子传播，实现高开关比，并具备可扩展的、相同的脉冲格式，适用于级联操作。

ABSTRACT

We introduce a circuit quantum electrodynamical setup for a single-photon transistor. In our approach photons propagate in two open transmission lines that are coupled via two interacting transmon qubits. The interaction is such that no photons are exchanged between the two transmission lines but a single photon in one line can completely block respectively enable the propagation of photons in the other line. High on-off ratios can be achieved for feasible experimental parameters. Our approach is inherently scalable as all photon pulses can have the same pulse shape and carrier frequency such that output signals of one transistor can be input signals for a consecutive transistor.

研究动机与目标

• 设计一种基于电路量子电动力学的可扩展单光子晶体管，用于全光量子逻辑。
• 利用单个光子作为开关，实现对单光子传播的确定性控制。
• 在不直接交换光子的情况下，实现光子传输的高开关对比度。
• 通过在所有晶体管中使用相同的脉冲形状和载波频率，确保与级联架构的兼容性。

提出的方法

• 两个开放的传输线通过两个 transmon 量子比特耦合，实现光子相互作用，而无需直接交换光子。
• 通过调节 transmon 量子比特，诱导强非共振相互作用，从而实现条件性传输阻断。
• 光子态以相同的脉冲形状和载波频率制备，以实现多个晶体管的直接级联。
• 系统工作在强耦合 regime，通过调控量子比特状态实现单光子级别的控制。
• 哈密顿量被设计为：当一条线中存在单个光子时，会移动量子比特的共振频率，从而阻断另一条线中的传输。
• 该设计利用电路 QED 架构，确保实验可行性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用单个光子在电路 QED 设置中控制另一光子的传输，而无需直接交换光子？
• RQ2 在可扩展的电路 QED 架构中，单光子开关可实现的开关比是多少？
• RQ3 如何利用相同的光子脉冲实现多个单光子晶体管的级联？
• RQ4 量子比特介导的相互作用在实现条件性传输阻断中起到什么作用？
• RQ5 能否在可行的实验参数下实现高保真度的单光子开关？

主要发现

• 该系统实现了高开关比的光子传输，支持有效的单光子开关操作。
• 当一个光子存在于一条传输线中时，可通过量子比特介导的相互作用，完全阻断或开启另一条线中的传输。
• 由于所有光子脉冲具有相同的形状和载波频率，该设计支持级联操作。
• 该机制不依赖于两条传输线之间直接的光子交换，完全依赖于量子比特介导的耦合。
• 由于输入脉冲的一致性以及与模块化晶体管架构的兼容性，该方法具有可扩展性。
• 可行的实验参数支持所提出的单光子晶体管的实现。