[论文解读] Detecting itinerant microwave photons with engineered non-linear dissipation

Raphaël Lescanne, S. Deléglise+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 41被引用 14

一句话总结

本文提出了一种基于工程化非线性耗散的新型微波光子探测器，其中通过泵浦驱动的三波混频过程，实现超导transmon量子比特对行进微波光子的不可逆能量转移，从而实现探测。该方案实现了58%的探测效率和1.4次/毫秒的创纪录低暗计数率，实现了无需事先知晓光子到达时间或波形的高保真度、低噪声探测。

ABSTRACT

Single photon detection is a key resource for sensing at the quantum limit and the enabling technology for measurement based quantum computing. Photon detection at optical frequencies relies on irreversible photo-assisted ionization of various natural materials. However, microwave photons have energies 5 orders of magnitude lower than optical photons, and are therefore ineffective at triggering measurable phenomena at macroscopic scales. Here, we report the observation of a new type of interaction between a single two level system (qubit) and a microwave resonator. These two quantum systems do not interact coherently, instead, they share a common dissipative mechanism to a cold bath: the qubit irreversibly switches to its excited state if and only if a photon enters the resonator. We have used this highly correlated dissipation mechanism to detect itinerant photons impinging on the resonator. This scheme does not require any prior knowledge of the photon waveform nor its arrival time, and dominant decoherence mechanisms do not trigger spurious detection events (dark counts). We demonstrate a detection efficiency of 58% and a record low dark count rate of 1.4 per ms. This work establishes engineered non-linear dissipation as a key-enabling resource for a new class of low-noise non-linear microwave detectors.

研究动机与目标

• 开发适用于超导量子电路中行进微波光子的低噪声、高效率探测器。
• 克服低能量微波光子缺乏足够能量触发宏观效应的挑战。
• 实现一种无需事先知晓光子波形或到达时间的探测机制。
• 通过利用相关耗散机制防止逆过程，最小化暗计数。
• 展示一种适用于量子信息处理和量子传感应用的可扩展、连续运行探测器。

提出的方法

• 探测器使用一个与两个微波谐振腔耦合的transmon量子比特：一个用于入射光子的缓冲模式，另一个用于不可逆光子耗散的废模。
• 通过约瑟夫森结施加泵浦信号，共振驱动三波混频过程，将缓冲模式中的光子转换为量子比特激发态和废模中的光子。
• 废模光子与传输线强耦合并辐射出去，防止逆过程，确保单向探测。
• 通过非简并测量确定量子比特状态，以判断是否检测到光子，测量在光子被吸收后进行。
• 向废模施加相干信号，实现量子比特的快速复位，支持高占空比的连续运行。
• 利用保持相位的放大器和矩量重构方法，对发射场进行量子态层析，以验证探测信号的量子特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 工程化非线性耗散是否能够在不依赖光子时间轮廓或到达时间先验知识的前提下，实现高效率、低暗计数的行进微波光子探测？
• RQ2 如何将两能级系统耦合到微波腔，使得光子吸收不可逆，且探测由量子比特激发态“预告”？
• RQ3 在通过共享耗散通道而非相干耦合介导探测过程的系统中，可实现的探测效率和暗计数率是多少？
• RQ4 探测器在多大程度上可实现快速复位的连续运行，从而支持高占空比操作？
• RQ5 尽管存在放大器噪声，发射场的量子态层析是否能以高保真度确认单光子的存在？

主要发现

• 探测器实现了58%的探测效率，证明了对单个微波光子的高灵敏度。
• 暗计数率测量值为1.4次/毫秒，创下微波光子探测器的最低纪录。
• 探测机制对退相干具有鲁棒性，主要噪声源不会引发误报。
• 量子态层析证实了单光子的发射，保真度与Fock态一致，尽管存在放大器噪声。
• 通过相干驱动废模实现快速复位，支持高占空比的连续运行。
• 测量的场态分布显示，在量子比特激发态下存在明显的额外噪声，证实了光子探测和态转移的成功。