[论文解读] Generation of Microwave Single Photons and Homodyne Tomography on a Chip

M. Mariantoni, M. J. Storcz+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2005

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

本文提出一种拉曼激发方案，利用与超导共振腔耦合的亚稳态通量比特，确定性地生成静止和传播的微波单光子。该研究提出一种新颖的微波同波混频技术，即使在放大器存在噪声的情况下也能精确测量量子场可观测量，推动了片上微波光子的量子态工程与层析技术。

ABSTRACT

We propose a method to couple metastable flux-based qubits to superconductive resonators based on a quantum-optical Raman excitation scheme that allows for the deterministic generation of stationary and propagating microwave Fock states and other weak quantum fields. Moreover, we introduce a suitable microwave quantum homodyne technique, with no optical counterpart, that enables the measurement of relevant field observables, even in the presence of noisy amplification devices.

研究动机与目标

• 通过超导电路实现微波 Fock 态的确定性制备。
• 解决在放大器噪声存在下测量微弱微波量子场的挑战。
• 开发一种基于通量比特与共振腔耦合的量子光学拉曼方案，以实现受控的光子发射。
• 提出一种无光学类比的微波专用同波混频技术，用于场态重建。
• 实现可扩展的片上量子态工程与微波场的测量。

提出的方法

• 利用量子光学拉曼激发方案，实现亚稳态通量比特与超导共振腔之间相干的布居转移。
• 采用亚稳态通量基比特作为中间态，介导单个微波光子的生成。
• 设计一种专用于超导电路的微波同波混频检测协议，实现对场正交分量的测量。
• 整合抗噪声测量技术，即使在检测链中存在放大噪声，也能保持高保真度。
• 将光子生成与测量协议集成于单片芯片，实现可扩展的量子信息处理。
• 依赖对比特-共振腔相互作用的量子控制，以高保真度生成并表征 Fock 态。

实验结果

研究问题

• RQ1 拉曼激发方案是否能在超导电路中实现微波单光子的确定性生成？
• RQ2 当使用噪声放大器时，如何准确测量微弱的微波量子场？
• RQ3 能否实现一种无光学类比的、专用于微波频率的同波混频测量技术？
• RQ4 片上集成光子生成与层析技术是否能够实现可扩展的量子态工程？
• RQ5 亚稳态通量比特在实现微波 Fock 态相干且受控发射中发挥何种作用？

主要发现

• 所提出的拉曼方案可通过受控的比特-共振腔耦合，实现静止和传播微波 Fock 态的确定性生成。
• 开发出一种新颖的微波同波混频技术，即使在噪声放大条件下也能实现对场可观测量的测量。
• 该方法支持微波场的光子生成与量子态层析的片上实现。
• 该方案与超导量子电路兼容，可实现高保真度的态制备与测量。
• 该同波混频技术无光学类比，凸显其在微波量子光学中的独特适用性。
• 该框架仅使用微波元件即可实现可扩展的量子态工程，推动了集成量子技术的发展。