[论文解读] On-Chip Microwave Fock States and Quantum Homodyne Measurements

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

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用 11

一句话总结

本文提出一种基于磁通的超导量子比特与谐振器通过类似拉曼的方案耦合，在芯片上实现确定性微波福克态生成的确定性片上方法。该研究引入了一种微波量子外差测量（MQHM）技术，利用混合环结作为分束器，即使在放大器存在噪声的情况下也能精确测量场正交分量，这对超导电路中的量子态层析至关重要。

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

• 在片上超导电路中实现微波福克态及其叠加态的确定性制备。
• 通过开发稳健的弱量子场测量方案，克服缺乏直接微波光电探测器的局限。
• 实现专用于微波波段的量子外差检测，采用无相位敏感放大器与平方律探测器。
• 在放大器噪声存在的情况下，实现对量子场可观测量（包括正交矩）的完整表征。
• 为利用超导器件实现片上量子信息传输与微波领域量子光学奠定基础。

提出的方法

• 通过类似拉曼的跃迁方案，将一个三能级磁通量子比特以Λ型能级结构耦合至超导微波谐振器，实现布居数相干转移并生成福克态。
• 混合环结作为片上微波分束器（MBS），通过调节相位将信号分为两条路径，实现外差检测。
• 信号经无相位敏感线性放大器放大后，由平方律探测器测量强度，两路输出电流之差与场正交分量可观测量成正比。
• 该方法利用本振（LO）在已知幅度与相位下与信号混频，通过可观测量 $\langle \hat{\tilde{a}}^\dagger_2 \hat{\tilde{a}}_2 - \hat{\tilde{a}}^\dagger_4 \hat{\tilde{a}}_4 \rangle \propto 2|\alpha_{\rm LO}|\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 实现对正交分量 $\hat{X}_{\theta_r}$ 的测量。
• 通过使用相同本振信号对两个混频器的输出进行相关处理，测量二阶矩 $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$，在放大器噪声互不相关假设下可实现Wigner函数重构。
• 该方案假设两路中放大器噪声相关性可忽略，并通过校准消除已知本振贡献，从而实现对信号矩的精确测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过类似拉曼的耦合方案，在超导片上电路中确定性地生成微波福克态？
• RQ2 在缺乏直接光电探测器的情况下，如何在微波波段实现量子外差检测？
• RQ3 尽管存在噪声放大，能否准确测量场正交分量矩 $\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 与 $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$？
• RQ4 能否利用该测量方案重构微波量子态的Wigner函数？
• RQ5 该方法能否通过正交测量区分福克态与相干叠加态如 $|0\rangle + |1\rangle$？

主要发现

• 类似拉曼的耦合方案可通过磁通量子比特在Λ型能级结构下，实现超导谐振器中微波福克态的确定性生成。
• 在 $|e\rangle$ 与 $|h\rangle$ 态之间的反交叉点，真空拉曼频率达到 56 MHz，实现了强耦合，有利于态制备。
• MQHM方案可实现对 $\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 的测量，且噪声干扰可忽略，如 $\langle \hat{\tilde{a}}^\dagger_2 \hat{\tilde{a}}_2 - \hat{\tilde{a}}^\dagger_4 \hat{\tilde{a}}_4 \rangle \propto 2|\alpha_{\rm LO}|\langle \hat{X}_{\theta_r} \rangle$ 所示。
• 通过相关混频器输出可测量二阶矩 $\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle$，其中 $\langle \hat{X}_{\tilde{a}_2,\theta_r} \hat{X}_{\tilde{a}_4,\theta_r} \rangle = -\frac{1}{2}\langle \hat{X}^2_{\theta_r} \rangle + \frac{1}{2}\langle \hat{X}^2_{\rm LO,\theta_r} \rangle$，从而实现Wigner函数重构。
• 该方法可实现高斯态的完整表征，并能区分福克态与叠加态，且在适当条件下具备测量所有 $\langle \hat{X}^p_{\theta_r} \rangle$（$p \in \mathbb{N}$）的潜力。