[论文解读] Josephson-Junction Qubits and the Readout Process by Single-Electron Transistors

Yuriy Makhlin, Gerd Schoen+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 1998

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文提出一种基于低电容约瑟夫森结的可扩展超导量子比特架构，其中量子态通过库珀对电荷进行编码。研究证明，通过电容耦合，单电子晶体管（SET）可在特征时间尺度后实现对量子比特态的测量，且在初始化和门操作过程中保持相干性。

ABSTRACT

Several physical realizations of quantum bits have been proposed. Of those, nano-electronic devices appear most suitable for large-scale integration and potential applications. We suggest to use low-capacitance Josephson junctions, exploiting the coherence of tunneling in the superconducting state combined with the possibility to control individual charges by Coulomb blockade effects (cond-mat/9706016,cond-mat/9808067). These systems constitute quantum bits, with logical states differing by one Cooper-pair charge. Single- and two-bit operations can be performed by applying a sequence of gate voltages. The phase coherence time is sufficiently long to allow a series of these steps. In addition to the manipulation of qubits the resulting quantum state has to be read out. This can be accomplished by coupling a single-electron transistor capacitively to the qubit (cond-mat/9801125). To describe this quantum measurement process we study the time evolution of the density matrix of the coupled system. Only when a transport voltage is turned on, the transistor destroys the phase coherence of the qubit; in this case within a short time. The measurement is accomplished after a longer time scale, when the signal resolves the different quantum states. At still longer times the measurement process itself destroys the information about the initial state. We present a suitable set of system parameters, which can be realized by present-day technology.

研究动机与目标

• 开发一种基于纳米电子器件的可扩展、可集成的量子计算架构。
• 解决在不提前破坏相干性的前提下测量超导量子比特量子态的挑战。
• 设计一种系统，使单电子晶体管能够实现高保真度、非破坏性的量子比特态读出。
• 识别与现有制造技术兼容的实验可行参数。
• 利用时变密度矩阵动力学建模耦合量子比特-SET系统中的量子测量过程。

提出的方法

• 使用低电容约瑟夫森结实现电荷量子比特，其中逻辑态之间的差异为一个库珀对。
• 通过精确控制的门电压脉冲实现单量子比特和双量子比特操作，以调控量子比特态。
• 通过电容耦合将量子比特与单电子晶体管（SET）连接，以实现基于电荷的读出。
• 使用密度矩阵形式化方法对耦合的量子比特-SET系统进行建模，以模拟测量过程中的时间演化。
• 在三个时间阶段分析测量过程：初始相干性保持、信号分辨和由测量反作用引起的退相干。
• 识别适用于现有技术实现的最优系统参数（例如，隧穿速率、电容值、门电压）。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于约瑟夫森结的电荷量子比特能否通过门电压脉冲实现相干操控？
• RQ2 与单电子晶体管耦合如何影响超导量子比特的相位相干性？
• RQ3 在不引发过早退相干的前提下，通过SET成功读出量子比特态的时间尺度是多少？
• RQ4 测量过程在何时会破坏关于初始量子比特态的信息？
• RQ5 哪些器件参数能够在长相干时间与可靠、高保真度读出之间实现平衡？

主要发现

• 该量子比特具有足够的相位相干时间，可支持一系列门操作，从而实现通用量子逻辑。
• 单电子晶体管（SET）可在特征时间尺度后分辨出量子比特的量子态，从而实现成功测量。
• 由测量引起的退相干发生在较长时间尺度，限制了读出后信息的保持时长。
• 系统在时间上表现出清晰的三个阶段分离：相干性保持（初始阶段）、信号形成（测量阶段）和退相干（最终态丢失阶段）。
• 已识别出一组实验上可行的参数（如隧穿矩阵元、电容值和门电压），可通过现有纳米加工技术实现。
• 密度矩阵分析证实，测量过程在初始阶段是非侵入性的，从而可在读出前实现相干控制。