[论文解读] Polar molecules near superconducting resonators: a coherent, all-electrical, molecule-mesoscopic interface

A. André, David DeMille+6 more|ArXiv.org|May 23, 2006

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了一种可扩展的全电学量子接口，能够相干耦合单个极性分子与超导带状线微波谐振器，通过电场阱捕获和谐振器增强的操控实现鲁棒的量子控制。该系统通过虚光子交换实现强耦合、高保真度态读出以及远距离纠缠，展示了适用于长寿命分子量子比特的可扩展量子信息处理架构。

ABSTRACT

The challenge of building a scalable quantum processor requires consolidation of the conflicting requirements of achieving coherent control and preservation of quantum coherence in a large scale quantum system. Moreover, the system should be compatible with miniaturization and integration of quantum circuits. Mesoscopic solid state systems such as superconducting islands and quantum dots feature robust control techniques using local electrical signals and self-evident scaling based on advances in fabrication; however, in general the quantum states of solid state devices tend to decohere rapidly. In contrast, quantum optical systems based on trapped ions and neutral atoms exhibit dramatically better coherence properties, while miniaturization of atomic and molecular systems, and their integration with mesoscopic electrical circuits, remains an important challenge. Below we describe methods for the integration of a single particle system -- an isolated polar molecule -- with mesoscopic solid state devices in a way that produces robust, coherent, quantum-level control. The methods described include the trapping, cooling, detection, coherent manipulation and quantum coupling of isolated polar molecules at sub-micron dimensions near cryogenic stripline microwave resonators. We show that electrostatically trapped polar molecules can exhibit strong confinement and fast, purely electrical gate control. Furthermore, the effect of electrical noise sources, a key issue in quantum information processing, can be suppressed to very low levels via appropriate preparation and manipulation of the polar molecules. Our setup provides a scalable cavity QED-type quantum computer architecture, where entanglement of distant qubits stored in long-lived rotational molecular states is achieved via exchange of microwave photons.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的全电学接口，将单个极性分子与宏观超导电路连接，用于量子信息处理。
• 通过结合分子系统的长相干时间与超导电路的电控能力和集成潜力，克服相干性与可扩展性之间的权衡。
• 实现分子量子比特与微波谐振器之间的强且相干的耦合，以实现高保真度量子操作。
• 通过非简并频移实现谐振器增强的侧带冷却与非破坏性态读出。
• 通过高品质因数谐振器介导的虚光子交换，实现空间分离的分子量子比特之间的远距离纠缠。

提出的方法

• 利用L形电极和直流电压偏置的静电Z阱（EZ-trap）捕获极性分子，形成电场极小值，以捕获低场寻求态。
• 将EZ-trap与超导带状线微波谐振器集成，其中谐振器的接地平面施加偏置电压，以产生所需的电场梯度。
• 通过将驱动场调谐至分子跃迁的红侧带，利用谐振器增强的自发辐射实现分子运动的侧带冷却。
• 通过量子比特态依赖的谐振器频率移位实现非简并读出，其中频移δω = ±g²/Δr可实现对量子比特态的非破坏性测量。
• 利用通过谐振器介导的虚光子交换，在远距离分子量子比特之间实现有效偶极-偶极相互作用，其哈密顿量为H_int = (g²/Δ)(σ₁⁺σ₂⁻ + σ₁⁻σ₂⁺)。
• 在谐振器的反节点位置设计多个EZ-trap，通过谐振器模式的电容耦合实现可扩展的多量子比特操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 极性分子能否与超导微波谐振器相干耦合，以实现高保真度量子操作？
• RQ2 在谐振器附近亚微米距离处对极性分子进行静电捕获，能否实现强相干耦合与稳定的量子比特控制？
• RQ3 谐振器增强的侧带冷却能否将分子运动冷却至量子基态以实现量子控制？
• RQ4 谐振器中的非简并频移能否实现高保真度、非破坏性的分子量子比特态测量？
• RQ5 通过谐振器介导的虚光子交换能否在空间分离的分子量子比特之间实现纠缠？

主要发现

• 低场寻求分子的最大阱深为U_max ≈ 0.6ħB，在E_DC^max ∼ 6ħB/μ时可实现，从而实现强束缚。
• 量子比特态|1⟩与|2⟩之间的能级分裂为ω₀ = 4B，误差在10%以内，且在适当条件下，场依赖的混合可保持量子比特相干性。
• 通过红侧带驱动实现的谐振器增强的侧带冷却可高效地将分子运动冷却至量子基态。
• 通过量子比特态依赖的频率移位实现的非简并读出可实现非破坏性测量，其保真度受限于κ和Δr，当δω < κ时可检测相移。
• 当g²/Δr > κ时，腔的频率偏移超过线宽，可通过探测透射或反射实现高保真度态分辨。
• 通过谐振器模式的电容耦合，虚光子交换介导了远距离量子比特之间的有效长程纠缠，相互作用强度为g²/Δ，可实现可扩展的量子门操作。