[论文解读] Continuous Generation and Stabilization of Mesoscopic Field Superposition States in a Quantum Circuit

Ananda Roy, Zaki Leghtas+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 2

一句话总结

该论文提出了一种耗散工程化的量子电路方案，可在超导腔中连续生成并自主稳定宏观尺度的薛定谔猫态。通过结合两光子驱动/耗散环境与利用Kerr效应引起的频率分裂实现的宇称选择性工程化环境，该方案稳定了单个偶宇称猫态 |C+_α⌊，抑制了单光子损耗引起的退相干，并实现了用于量子信息处理的确定性、连续非经典态制备。

ABSTRACT

While dissipation is widely considered as being harmful for quantum coherence, it can, when properly engineered, lead to the stabilization of non-trivial pure quantum states. We propose a scheme for continuous generation and stabilization of Schr\"{o}dinger cat states in a cavity using dissipation engineering. We first generate non-classical photon states with definite parity by means of a two-photon drive and dissipation, and then stabilize these transient states against single-photon decay. The single-photon stabilization is autonomous, and is implemented through a second engineered bath, which exploits the photon number dependent frequency-splitting due to Kerr interactions in the strongly dispersive regime of circuit QED. Starting with the Hamiltonian of the baths plus cavity, we derive an effective model of only the cavity photon states along with analytic expressions for relevant physical quantities, such as the stabilization rate. The deterministic generation of such cat states is one of the key ingredients in performing universal quantum computation.

研究动机与目标

• 开发一种鲁棒的、连续的方法，用于在电路量子电动力学（circuit QED）中生成和稳定非经典薛定谔猫态，这些态对于连续变量的通用量子计算至关重要。
• 解决由于不可避免的单光子损耗导致猫态退相干为相干态统计混合物的关键挑战。
• 通过工程化系统-环境相互作用实现自主稳定协议，消除对主动反馈或基于测量的校正的依赖。
• 设计一种可扩展且实验可行的方案，仅使用连续波微波驱动和现有的电路QED组件，与当前超导量子比特技术兼容。

提出的方法

• 设计一种两光子耗散环境，通过选择性允许成对光子损耗来稳定猫态，从而保持偶数或奇数光子数宇称。
• 引入第二种工程化环境，通过在强失谐区域的Kerr相互作用，实现从奇宇称到偶宇称猫态的选择性衰减。
• 利用绝热消去法推导仅包含存储腔的有效主方程，将完整的三模系统简化为一个可处理的模型，并解析导出衰减率和相互作用率。
• 利用耦合到两个低Q读出腔的Transmon量子比特产生的光子数依赖频率分裂，实现宇称选择性耗散。
• 设计系统使得单光子衰减率（κ1ph）远小于工程化的两光子衰减率（κ2ph）和宇称选择性衰减率（κps），以确保所需动力学占主导地位。
• 使用固定频率和幅度的连续波微波驱动实现所需的两光子驱动和工程化耗散，从而实现无测量、自主的稳定协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不使用主动反馈的情况下，在超导电路中连续生成并稳定宏观尺度叠加态（即薛定谔猫态）？
• RQ2 如何仅通过工程化耗散有效补偿猫态中占主导地位的单光子损耗退相干？
• RQ3 光子数依赖的频率分裂在实现宇称选择性耗散以稳定单个猫态中起什么作用？
• RQ4 两光子过程与宇称选择性衰减的结合是否能导致唯一稳态猫态，而非统计混合态？
• RQ5 当前超导量子电路中实验可行性和鲁棒性所需的参数范围（如衰减率、耦合强度）是什么？

主要发现

• 通过结合两光子耗散环境与宇称选择性环境，该方案将唯一的偶宇称薛定谔猫态 |C+_α⌊ 稳定为稳态，有效抑制了单光子损耗引起的退相干。
• 所期望猫态的有效稳定速率被解析推导，并在绝热近似下表现出鲁棒性，数值模拟也证实了其收敛至目标态。
• 对于如 κ1ph = 1, κ2ph = 250κ1ph, κps = 120κ1ph, ϵr1 = 1000κ1ph 等参数集，模型约化能准确再现完整的三模动力学，验证了有效描述的正确性。
• 该方案对驱动幅度变化具有鲁棒性，且不依赖于驱动相位，支持确定性和连续运行。
• 所需参数——如腔衰减率、耦合强度和驱动幅度——在当前电路QED实验范围内可实现，例如 κr1 = κr2 = 1000κ1ph 和 χsr2 = 2.5 × 10^4κ1ph 均为实验可行参数。
• 该方案的微小修改即可稳定奇宇称猫态 |C-α⌊，证明了该方法对偶宇称与奇宇称态的普适性。