[论文解读] Prospects for Strong Cavity Quantum Electrodynamics with Superconducting Circuits

S. M. Girvin, Ren-Shou Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2003

Quantum Information and Cryptography参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于一维传输线谐振器的超导电路架构，以在微波腔量子电动力学（cQED）中实现强耦合 regime，从而实现高保真度量子比特控制、多量子比特的量子非破坏性（QND）测量，以及厘米尺度距离上的可调两量子比特纠缠。关键成果是真空拉曼劈裂超过退相干速率，使量子操作更加稳健，并为可扩展的量子计算提供了潜力。

ABSTRACT

We propose a realizable architecture using one-dimensional transmission line resonators to reach the strong coupling limit of cavity quantum electrodynamics in superconducting electrical circuits. The vacuum Rabi frequency for the coupling of cavity photons to quantized excitations of an adjacent electrical circuit (qubit) can easily exceed the damping rates of both the cavity and the qubit. This architecture is attractive for quantum computing and control, since it provides strong inhibition of spontaneous emission, potentially leading to greatly enhanced qubit lifetimes, allows high-fidelity quantum non-demolition measurements of the state of multiple qubits, and has a natural mechanism for entanglement of qubits separated by centimeter distances. In addition it would allow production of microwave photon states of fundamental importance for quantum communication.

研究动机与目标

• 通过超导电路实现微波腔量子电动力学（cQED）中的强耦合 regime。
• 实现在单次测量中对多个量子比特的高保真度量子非破坏性（QND）测量。
• 通过谐振腔中虚光子交换实现可调谐、长距离的两量子比特纠缠。
• 通过强耦合至高品质因子腔体，抑制自发辐射并增强量子比特相干性。
• 实现微波光子态的生成与探测，用于量子通信。

提出的方法

• 使用一维（1D）传输线谐振器将零点能量限制在小的有效体积内，增强真空拉曼耦合强度。
• 采用约瑟夫森结盒子作为具有大电偶极矩的人工原子，通过电容耦合至谐振器的中心导体。
• 通过确保真空拉曼频率 $ g $ 超过谐振腔退化率 $ \kappa $ 和量子比特退化率 $ \gamma $，实现强耦合。
• 通过将量子比特调谐至远离谐振腔共振频率，利用谐振腔透射谱的可观测量频移实现非简谐耦合，从而实现QND测量。
• 当量子比特彼此共振但与谐振腔失谐时，通过虚光子交换实现两量子比特门，其有效哈密顿量为 $ H_2 \propto (g^2/\Delta)(\sigma_i^+\sigma_j^- + \sigma_i^-\sigma_j^+) $。
• 通过为不同量子比特态设计不同的谐振腔拉频值 $ \pm g_1^2/\Delta_1 \pm g_2^2/\Delta_2 $，实现单次测量中多量子比特的读出。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于一维传输线谐振器架构的超导电路能否实现cQED中的强耦合 regime？
• RQ2 强耦合能否抑制自发辐射并延长量子比特相干时间？
• RQ3 能否实现多个量子比特的高保真度、单次测量量子非破坏性（QND）测量？
• RQ4 能否通过谐振腔中虚光子交换实现可调谐、长距离的两量子比特纠缠？
• RQ5 该架构能否生成并探测对量子通信有用的微波光子态？

主要发现

• 真空拉曼频率 $ g $ 可超过谐振腔退化率 $ \kappa $ 和量子比特退化率 $ \gamma $，满足强耦合条件 $ g \gg \kappa, \gamma $。
• 由于对自发辐射的强抑制，量子比特寿命显著延长。
• 通过测量不同集体量子比特态引起的谐振腔频率不同频移，可在单次测量中实现多量子比特的高保真度量子非破坏性（QND）测量。
• 通过虚光子交换实现可调谐两量子比特纠缠，$ \sqrt{i\text{SWAP}} $ 门的门时间约为 $ 50\,\text{ns} $。
• 每单位谐振腔退化时间内的操作数估计为 $ N_{\text{op}} \sim 1200 $，表明具有高相干性和高门保真度潜力。
• 该系统可实现单光子探测与单光子源功能，因为单光子发射或吸收会引起谐振腔透射谱的显著且可测量的变化。