[论文解读] Hybrid Qubit gates in circuit QED: A scheme for quantum bit encoding and information processing

M. C. de Oliveira|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在电路量子电动力学中实现的混合两量子比特门，该门将量子信息编码在共面传输线的光子场模式中，并与单个超导电荷量子比特耦合。该方案利用场模式对消散的鲁棒性实现对量子信息的稳健存储，同时通过外部经典磁脉冲在多个固态量子比特与场量子比特之间实现纠缠，为量子计算提供了一种可扩展且实验上可行的架构。

ABSTRACT

Institute for Quantum Information Science, University of Calgary, Alberta T2N 1N4, Canada(Dated: October 7, 2011)Solid state superconducting devices coupled to coplanar transmission lines offer an exquisite architecturefor quantum optical phenomena probing as well as for quantum computation implementation, being the objectof intense theoretical and experimental investigation lately. In appropriate conditions the transmission lineradiation modes can get strongly coupled to a superconducting device with only two levels -for that reason calledartificial atom or qubit. Employing this system we propose a hybrid two-quantum bit gate encoding involvingquantum electromagnetic field qubit states prepared in a coplanar transmission line capacitively coupled to asingle charge qubit. Since dissipative effects are more drastic in the solid state qubit than in the field one, itcan be employed for storage of information, whose efficiency against the action of an ohmic bath show that thisencoding can be readily implemented with present day technology. We extend the investigation to generateentanglement between several solid state qubits and the field qubit through the action of external classicalmagnetic pulses.

研究动机与目标

• 开发一种基于电路QED中混合量子比特编码的可扩展量子计算架构。
• 通过利用光子场模式相较于固态量子比特更强的抗退相干能力，解决固态量子比特中的退相干问题。
• 利用外部经典磁脉冲在多个超导量子比特与场量子比特之间实现纠缠。
• 证明所提出的编码方案可利用当前实验技术实现。

提出的方法

• 利用共面传输线承载一个量子电磁场量子比特，通过电容耦合至单个超导电荷量子比特。
• 利用传输线辐射模式与人工原子（量子比特）之间的强耦合，实现相干量子操作。
• 利用场量子比特相比固态量子比特对欧姆耗散更强的抗性，实现信息存储。
• 通过施加外部经典磁脉冲，介导多个固态量子比特与场量子比特之间的纠缠。
• 设计系统使得场量子比特充当稳健的量子存储器，而电荷量子比特则实现门操作。
• 依赖电路QED架构，结合超导器件与传输线谐振器，实现该混合门。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在电路QED中利用光子场量子比特与单个电荷量子比特实现混合两量子比特门？
• RQ2 与固态量子比特相比，场量子比特对欧姆耗散的抗性如何提升其在量子信息存储中的表现？
• RQ3 能否通过经典磁脉冲在多个固态量子比特与场量子比特之间生成纠缠？
• RQ4 所提出的编码方案是否可在当前电路QED实验技术下实现？
• RQ5 传输线模式与人工原子之间的强耦合在实现门操作中起到何种作用？

主要发现

• 传输线中的光子场量子比特相比固态电荷量子比特对来自欧姆浴的退相干表现出更优越的抗性，从而实现稳健的量子信息存储。
• 该混合门方案可通过施加外部经典磁脉冲，在多个固态量子比特与场量子比特之间实现纠缠。
• 所提出的编码方法与现有电路QED技术兼容，可直接在当前实验装置中实现。
• 传输线模式与人工原子之间的强耦合使得实现量子计算所必需的相干量子操作成为可能。
• 该系统设计利用场量子比特的稳定性，提升了整体门保真度与量子信息处理架构的可扩展性。