[论文解读] Partial Measurements of Quantum Systems

Jonathan Monroe|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 5

一句话总结

本文提出了一种面向超导量子计算实验的面向对象编程框架，用于生成精确的脉冲序列，通过 Pulse 类管理微波驱动参数，并通过 Sequence 类将脉冲组织为时间有序的序列。该方法利用单边带调制（SSM）实现对量子比特的相干控制，并通过模块化、可重用的代码支持 Rabi 和 Ramsey 光谱等实验工作流程。

ABSTRACT

Projective measurement is a commonly used assumption in quantum mechanics. However, advances in quantum measurement techniques allow for partial measurements, which accurately estimate state information while keeping the wavefunction intact. In this dissertation, we employ partial measurements to study two phenomena. First, we investigate an uncertainty relation -- in the style of Heisenberg's 1929 thought experiment -- which includes partial measurements in addition to projective measurements. We find that a weak partial measurement can decrease the uncertainty between two incompatible (non-commuting) observables. In the second study, we investigate the foundation of irreversible dynamics resulting from partial measurements. We do so by comparing the forward and time-reversed probabilities of measurement outcomes resulting from post-selected feedback protocols with both causal and reversed-causal order. We find that the statistics of partial measurements produce entropy in accordance with generalized second laws of thermodynamics. We perform these experiments using superconducting qubits. This dissertation also describes the fabrication process for these devices and details a novel fabrication technique that allows fast, single-step lithography of Josephson-junction superconducting circuits. The technique simplifies processing by utilizing a direct-write photolithography system, in contrast to traditional electron-beam lithography. Despite their large lithographic area, Josephson junctions made with this method have low critical currents and high coherence times.

研究动机与目标

• 开发一种结构化、可重用的软件框架，用于在超导量子处理器中生成复杂的微波脉冲序列。
• 通过参数化脉冲对象实现对量子比特和腔体驱动的精确控制，确保相位和频率的一致性。
• 通过将序列组织为时间有序的矩阵，支持 Rabi 和 Ramsey 光谱等实验工作流程。
• 通过抽象脉冲参数和序列组合，将脉冲生成逻辑与硬件控制解耦。
• 通过将相位参考锚定到共同的时间起点，确保多脉冲序列中的相位相干性。

提出的方法

• Pulse 类封装了关键参数：持续时间、起始时间、幅度、SSM 频率和相位，可选参数具有默认值。
• 脉冲通过单边带调制（SSM）生成，以移动本振频率并避免载波泄漏，射频输出表示为：$\mathrm{RF}(t) = \cos(\omega_{\rm LO}t)\cdot\mathrm{I}(t) + \sin(\omega_{\rm LO}t)\cdot\mathrm{Q}(t)$。
• Sequence 类将脉冲组织为序列矩阵，其中每个步长对应一个时间点（1 GS/s 时分辨率为 1 ns），并支持如持续时间等可变扫描类型。
• add_sweep() 方法根据扫描参数将修改后的脉冲插入序列的每个步长，实现对脉冲持续时间或幅度的系统性变化。
• 脉冲幅度以 float 数组形式存储在序列矩阵中，通道和标记输出通过包含四个通道和四个标记的 channel_list 结构进行管理。
• 通过将所有相位定义为相对于初始时间（t=0）实现相位一致性，确保多脉冲序列中的相干控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 面向对象方法如何提升量子控制实验中脉冲序列生成的模块化与可维护性？
• RQ2 对微波脉冲的相位和频率控制应如何编码，以确保多脉冲操作期间的量子比特相干性？
• RQ3 如何在保持定时精度和硬件兼容性的前提下，对脉冲序列进行持续时间或幅度的系统性扫描？
• RQ4 何种软件抽象能够实现实验（如 Rabi 和 Ramsey 光谱）中脉冲定义的高效复用？
• RQ5 如何在序列生成管道中本机支持任意波形发生器（AWG）的内存限制（如 2 的幂次点间隔）？

主要发现

• Pulse 类成功封装了微波脉冲的所有关键参数，包括 SSM 频率和相位，实现了统一且可复用的脉冲定义。
• Sequence 类通过 add_sweep() 方法实现了对脉冲持续时间等可变扫描参数的系统性脉冲序列生成。
• 通过将所有相位锚定到初始时间（t=0），多脉冲序列中的相位相干性得以保持，这对 Ramsey 干涉测量等实验至关重要。
• 该框架支持硬件约束，如 1 GS/s 采样率和 2 的幂次序列长度，确保与 AWG 内存结构的兼容性。
• 通过 channel_list 管理四个通道和四个标记，实现了对 I/Q 和触发输出的灵活配置，共享通道的冗余标记条目将被忽略。
• Pulse 类的 toString() 和 make() 方法提供了有用的调试和数据导出功能，而 copy() 方法支持对脉冲实例的安全操作。