[论文解读] Data from: Optical readout of a superconducting qubit using a piezo-optomechanical transducer

Thierry C. van Thiel, Matthew J. Weaver+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 6

一句话总结

该论文展示了一种全集成压电-光机械转换器对超导transmon量子比特实现高保真度、多测量次数的光学读出，该转换器通过机械耦合将微波信号转换为光信号。仅使用6 μW的光功率和200次平均，系统即可实现超过99%的读出保真度，从而实现可扩展、低耗散的量子计算，具有极小的低温设备占用空间和热负荷。

ABSTRACT

Source data for Figures.

研究动机与目标

• 解决在将超导量子处理器扩展至数千个量子比特时，低温空间和热预算日益紧张的问题。
• 克服基于微波的读出链的局限性，后者因放大器、环形器和同轴电缆而消耗大量低温资源。
• 展示一种可扩展、兼容光纤的光学读出平台，可在无需低温微波放大器的情况下实现低功耗、高保真度的超导量子比特测量。
• 为未来实现光学复用和长距离光纤控制铺平道路，支持大规模容错量子计算。

提出的方法

• 采用压电-光机械转换器，将超导微波谐振器与光子晶体纳米梁腔集成，以实现微波到光信号的转换。
• 使用连续波光泵浦驱动光机械腔，通过辐射压力和压电换能机制，实现量子比特微波读出信号向光域的上转换。
• 通过同轴电缆将转换器连接至量子比特芯片，实现完全电气隔离，同时通过单根光纤实现光信号传输。
• 采用破坏性读出技术测量量子比特态保真度，无需使用量子极限微波放大器。
• 通过拉比振荡、Ramsey干涉测量以及在不同光泵浦条件下的量子比特退相干时间（T₁和T₂*）表征系统性能。
• 通过频率失谐控制优化信噪比，并评估光泵浦对量子比特相干性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成压电-光机械转换器是否可在无需低温微波放大器的情况下实现对超导量子比特的高保真度光学读出？
• RQ2 在可扩展、基于光纤的架构中，实现高保真度多测量次数读出所需的最低光功率是多少？
• RQ3 在存在转换系统的情况下，光泵浦对量子比特退相干时间（T₁和T₂*）有何影响？
• RQ4 在转换器与量子比特谐振器之间频率失谐的补偿程度如何，才能实现高信噪比？
• RQ5 通过进一步优化频率匹配和转换效率，单次测量光学读出是否可行？

主要发现

• 系统在仅注入6 μW光功率、使用200次平均且无需量子极限微波放大器的条件下，实现了超过0.99的多测量次数读出保真度。
• 尽管由于频率失谐导致转换效率降低十倍，系统仍保持高保真度，表明通过更好的匹配可实现进一步提升。
• 量子比特T₁时间从48.1 ± 14.1 μs（光泵浦关闭）略微下降至42.4 ± 4.4 μs（光泵浦开启），变化在统计上不显著，表明对纵向弛豫影响极小。
• 量子比特T₂*时间从8.1 ± 0.8 μs（光泵浦关闭）显著降低至5.2 ± 0.2 μs（光泵浦开启），表明光泵浦对横向相干性有可测量但可控的影响。
• 该转换器的紧凑尺寸小于0.15 mm²，支持模块化、基于光纤的集成，可实现对数千个量子比特的并行读出，且低温资源开销极小。
• 通过改进频率匹配和降低光损耗，作者预计单次光学读出将可实现，从而推动可扩展、低耗散的量子计算发展。