[论文解读] One-step implementation of entanglement generation on microwave photons in distant 1D superconducting resonators

Ming Hua, Ming‐Jie Tao+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于通用超导谐振器（R）作为量子总线的可扩展量子设备，无需超导量子比特即可在远距离的一维超导谐振器（SRs）中生成高保真度的贝尔态。该方案在非简并 regime 下运行，可在 25.5 ns 内实现超过 99.5% 的保真度的一步式纠缠制备，并可扩展用于在不同谐振器对上同时生成多个贝尔态。

ABSTRACT

We present a scalable quantum-bus-based device for generating the entanglement on microwave photons (MPs) in distant superconducting resonators (SRs). Different from the processors in previous works with some resonators coupled to a superconducting qubit (SQ), our device is composed of some 1D SRs $r_j$ which are coupled to the quantum bus (another common resonator $R$) in its different positions simply, assisted by superconducting quantum interferometer devices. By using the technique for catching and releasing a MP state in a 1D SR, it can work as an entanglement generator or a node in quantum communication. To demonstrate the performance of this device, we propose a one-step scheme to generate high-fidelity Bell states on MPs in two distant SRs. It works in the dispersive regime of $r_j$ and $R$, which enables us to extend it to generate high-fidelity multi-Bell states on different resonator pairs simultaneously.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、无需量子比特的架构，用于在远距离超导谐振器中的微波光子生成纠缠。
• 克服以往依赖超导量子比特的方案的局限性，这些方案因频率调谐范围和耦合复杂性而限制了可扩展性。
• 通过共享的量子总线实现远距离谐振器之间的一步式、高保真度贝尔态生成。
• 在非简并 regime 下展示同时生成多对贝尔态的可行性。
• 通过使设备作为贝尔态生成器或量子通信节点，支持长距离量子通信。

提出的方法

• 该设备使用一个中心量子总线谐振器 R，通过超导量子干涉器件（SQUIDs）与多个一维 SRs（r_j）耦合，实现在不同位置的可调谐、局域化耦合。
• 通过受控耦合将微波光子态从传输线捕获到 SRs 中，实现局域化的量子操作。
• 通过非简并 regime 下的一步幺正演化生成纠缠（g_j/Δ_j ≪ 1），其中 g_j 为耦合强度，Δ_j 为 r_j 与 R 之间的失谐。
• 该方案利用非简并相互作用，在无直接耦合的情况下介导远距离 SRs 之间的纠缠，避免了不必要的相互作用。
• 该协议具有可扩展性：通过调节不同谐振器对的频率，可在独立的对上同时生成多个贝尔态。
• 数值模拟通过一个五谐振器-量子比特（FRQ）子系统验证了该方案，保真度通过 |⟨Ψ|ρ′(t)|Ψ⟩| 计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖超导量子比特的情况下，生成远距离超导谐振器中微波光子的纠缠？
• RQ2 一个单一的量子总线谐振器能否实现对多个远距离谐振器对的高保真度、一步式贝尔态生成？
• RQ3 该方案是否可扩展以实现在不同谐振器对上同时生成多个贝尔态？
• RQ4 在非简并 regime 下，纠缠生成的保真度如何依赖于失谐和耦合强度？
• RQ5 该设备能否作为长距离量子通信的通用节点使用？

主要发现

• 一步式方案在 25.5 ns 内对两个远距离谐振器生成的贝尔态保真度达到 99.5%。
• 该方案在非简并 regime 下运行（g_j/Δ_j ≪ 1），实现了高保真度纠缠生成，无需强耦合或量子比特介导的非线性效应。
• 在五谐振器-量子比特子系统中，已证明可在两对独立的谐振器对上以高保真度同时生成两个贝尔态。
• 通过增加失谐或减小耦合强度，可最小化由残余相互作用引起的保真度振荡。
• 该设备可作为贝尔态生成器或量子通信节点使用，支持微波光子态的捕获与释放。
• 该方法避免了对可调谐超导量子比特或复杂耦合网络的需求，从而提高了可扩展性和实验可行性。