[论文解读] Manipulating and probing Majorana fermions using superconducting circuits

J. Q. You, Z. D. Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出利用超导量子比特阵列实现并操控马约拉纳费米子，通过链端未配对的马约拉纳模式编码马约拉纳量子比特。它展示了使用四个量子比特的编织操作，并显示出相较于单个超导量子比特的改进量子相干性，为拓扑量子计算提供了一种可扩展的平台。

ABSTRACT

Majorana fermions are long-sought exotic particles that are their own antiparticles. Here we propose to utilize superconducting circuits to construct two superconducting-qubit arrays where Majorana modes can occur. A so-called Majorana qubit is encoded by using the unpaired Majorana modes, which emerge at the left and right ends of the chain in the Majorana-fermion representation. We also show this Majorana qubit in the spin representation and its advantage, over a single superconducting qubit, regarding quantum coherence. Moreover, we propose to use four superconducting qubits as the smallest system to demonstrate the braiding of Majorana modes and show how the states before and after braiding Majoranas can be discriminated.

研究动机与目标

• 通过拓扑超导链在工程化的超导量子比特阵列中实现马约拉纳费米子。
• 在马约拉纳费米子表象中，利用一维链端部的未配对马约拉纳模式编码马约拉纳量子比特。
• 比较马约拉纳量子比特与单个超导量子比特的相干性特性，突出其在量子相干性方面的优势。
• 提出一个最小四量子比特系统，用于演示马约拉纳模式的编织。
• 设计一种协议，以区分马约拉纳编织操作前后的量子态。

提出的方法

• 构建一维超导量子比特阵列，以模拟支持马约拉纳零能模的拓扑超导链。
• 利用局域在链端的未配对马约拉纳模式的非阿贝尔任意统计特性编码马约拉纳量子比特。
• 在自旋表象中实现马约拉纳量子比特，以促进实验控制与测量。
• 设计四量子比特电路布局，通过受控量子门序列对马约拉纳模式执行编织操作。
• 使用量子态层析与投影测量，区分编织后的初始态与最终态。
• 利用马约拉纳模式的拓扑保护特性，相比传统超导量子比特提升相干时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过工程化设计使超导量子比特阵列支持并操控马约拉纳零能模？
• RQ2 马约拉纳量子比特的相干性与传统超导量子比特相比如何？
• RQ3 演示马约拉纳模式非阿贝尔编织所需的最小量子比特架构是什么？
• RQ4 如何在实验上区分编织前后的拓扑态？
• RQ5 实现鲁棒马约拉纳操控所需的关键电路设计与控制协议是什么？

主要发现

• 所提出的超导电路架构能够在一维链端部支持马约拉纳零能模的出现。
• 以自旋表象编码的马约拉纳量子比特相比单个超导量子比特展现出增强的量子相干性。
• 四量子比特系统足以以受控方式实现并验证马约拉纳模式的编织。
• 该协议可利用标准量子测量技术区分编织前后的初始态与最终态。
• 马约拉纳量子比特架构中采用的拓扑保护为容错量子计算提供了有前景的路径。
• 该框架具有可扩展性，并与现有超导量子计算平台兼容。