[论文解读] On-Demand Directional Microwave Photon Emission Using Waveguide Quantum Electrodynamics

Bharath Kannan, Aziza Almanakly+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文通过将超导人造分子耦合到双向波导，实现了按需、高保真度、定向的微波光子发射。通过调控两个发射器量子比特之间的量子干涉，系统可产生仅向选定方向传播的单光子，从而实现可扩展的互惠量子互连，适用于模块化量子网络，显著降低串扰和损耗。

ABSTRACT

Routing quantum information between non-local computational nodes is a foundation for extensible networks of quantum processors. Quantum information transfer between arbitrary nodes is generally mediated either by photons that propagate between them, or by resonantly coupling nearby nodes. The utility is determined by the type of emitter, propagation channel, and receiver. Conventional approaches involving propagating microwave photons have limited fidelity due to photon loss and are often unidirectional, whereas architectures that use direct resonant coupling are bidirectional in principle, but can generally accommodate only a few local nodes. Here we demonstrate high-fidelity, on-demand, directional, microwave photon emission. We do this using an artificial molecule comprising two superconducting qubits strongly coupled to a bidirectional waveguide, effectively creating a chiral microwave waveguide. Quantum interference between the photon emission pathways from the molecule generates single photons that selectively propagate in a chosen direction. This circuit will also be capable of photon absorption, making it suitable for building interconnects within extensible quantum networks.

研究动机与目标

• 解决超导量子处理器中非局域量子节点之间高效、定向量子信息传输的挑战。
• 克服传统单向波导依赖损耗性隔离器且因光子损耗导致保真度低的局限性。
• 开发基于双向波导的架构，实现在无需非互易元件情况下的按需、定向光子发射。
• 通过量子干涉实现高保真度光子发射与定向控制的结合，推动高连通性、可扩展的量子网络发展。
• 展示系统同时具备定向光子发射与吸收能力，使其适用于量子网络中双向互连。

提出的方法

• 设计一个由两个强耦合的量子比特（发射器）组成的超导人造分子，并将其耦合到共同的双向波导。
• 利用分子中两条不同发射路径之间的量子干涉，实现手性光子发射：一条路径促进向左传播，另一条路径促进向右传播。
• 构建一个四能级系统，其中初始叠加态 |ψqb±⟩ = (|gg⟩ + |ψ±⟩)/√2 决定发射微波光子的方向。
• 采用超算符形式的主方程对系统进行建模，哈密顿量为 H = g_eff(σ⁻₃σ⁺₁ + σ⁺₃σ⁻₁) + g_eff(σ⁻₄σ⁺₂ + σ⁺₄σ⁻₂)，描述发射器与数据量子比特之间的有效耦合。
• 使用Liouvillian超算符形式数值求解主方程，模拟密度矩阵的时间演化并计算可观测量。
• 利用输入-输出关系计算左行与右行波导模式中的场振幅：⟨a_L⟩ = √(γ/2)(⟨σ⁻₁⟩ + i⟨σ⁻₂⟩)，⟨a_R⟩ = √(γ/2)(⟨σ⁻₁⟩ - i⟨σ⁻₂⟩)，从而预测定向发射行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在无需非互易元件的双向波导中实现按需、定向的微波光子发射？
• RQ2 超导电路中两个发射器量子比特路径之间的量子干涉如何实现手性光子发射？
• RQ3 当发射器量子比特的初始态被设计为叠加态时，光子发射的保真度与方向性如何？
• RQ4 该系统是否也能支持定向光子吸收，从而实现双向互连功能？
• RQ5 有效耦合强度 g_eff/2π ≈ 1.28 MHz 在多大程度上决定了发射光子波包的时间形状与方向性？

主要发现

• 通过利用超导人造分子中的量子干涉，该系统实现了按需、定向的高保真度微波光子发射。
• 当初始化为 |ψqb⁻⟩ 态时，发射光场振幅主要向左传播（⟨a_L⟩ ≠ 0，⟨a_R⟩ = 0）；而 |ψqb⁺⟩ 态则产生向右传播的波包。
• 发射光子波包的时间形状由解析解 ⟨a_L⟩ ∝ -g_eff√γ / Γ × e^(-γt/4) sinh(Γt/2) 预测，其中 Γ = 2√((γ/4)² - g_eff²)。
• 提取出发射器与数据量子比特之间的有效耦合强度为 g_eff/2π ≈ 1.28 MHz，与实验测得的光子发射包络拟合一致。
• 系统表现出高方向性：在理想模型中，|ψqb⁻⟩ 态下右行振幅 ⟨a_R⟩ 为零，证实了单向发射。
• 模型预测该系统还可实现定向光子吸收，因此适用于可扩展网络中的双向量子互连。