[论文解读] Circuit Quantum Electrodynamics with Electrons on Helium

A. Fragner|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于单个电子束缚于超流氦表面并与高精细度超导腔耦合的电路量子电动力学平台。该系统可实现电子运动态与自旋态的相干耦合，电荷态的光子交换时间小于10 ns，自旋态的光子交换时间小于1 μs，展现出在量子信息处理和非破坏性电子态测量方面的重要潜力。

ABSTRACT

We propose to couple an on-chip high finesse superconducting cavity to the lateral-motion and spin state of a single electron trapped on the surface of superfluid helium. We estimate the motional coherence times to exceed 15 microseconds, while energy will be coherently exchanged with the cavity photons in less than 10 nanoseconds for charge states and faster than 1 microsecond for spin states, making the system attractive for quantum information processing and cavity quantum electrodynamics experiments. Strong interaction with cavity photons will provide the means for both nondestructive readout and coupling of distant electrons.

研究动机与目标

• 开发一种基于单个电子在超流氦表面的可扩展量子信息处理平台。
• 实现电子态与腔光子之间强而相干的耦合，以实现量子调控。
• 实现电子系统中非破坏性测量与长寿命量子相干性。
• 探索单个电子的运动自由度与自旋自由度在腔量子电动力学中的应用。

提出的方法

• 使用高精细度超导微波腔，与超流氦表面电子的横向运动耦合。
• 利用电子的二维运动及其自旋自由度作为量子系统。
• 设计腔的电磁模式，使其与电子电荷态和自旋态共振耦合。
• 利用电子波函数在氦表面的局域化特性，以最小化退相干并增强耦合强度。
• 采用电路QED理论框架对系统进行建模，以预测耦合速率与相干时间。
• 模拟光子交换动力学，以估算电子态与腔光子之间相互作用的时间尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超导腔模式中实现单个电子在超流氦表面与腔光子的相干耦合，以支持量子信息应用？
• RQ2 该平台中电子运动态与自旋态的可实现相干时间是多少？
• RQ3 电子与腔光子之间电荷态与自旋态的相干能量交换速度有多快？
• RQ4 该系统是否可通过测量腔光子实现电子态的非破坏性、高保真度读出？
• RQ5 该架构中，通过共享腔光子能否实现远距离电子之间的耦合？

主要发现

• 电子运动态的相干时间估计超过15微秒，表明其具有长寿命的量子态。
• 电子电荷态与腔光子之间的相干能量交换时间小于10纳秒。
• 电子自旋态与腔光子之间的相干耦合时间小于1微秒。
• 强相互作用使得通过测量腔光子实现电子态的非破坏性读出成为可能。
• 该系统支持通过共享腔光子实现远距离电子之间的耦合，从而支持可扩展的量子网络。
• 该平台兼具长相干时间与快速、相干的相互作用，展现出在量子信息处理中的巨大潜力。