[论文解读] Protecting the quantum interference of cat states by phase-space compression

Xiaozhou Pan, Jonathan Schwinger+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文提出一种确定性方法，通过在电路量子电动力学（cQED）中使用条件位移操作压缩相空间分布，以保护猫态的量子干涉免受光子丢失的影响。该技术通过将高频干涉分量移近原点，增强非高斯特征的抗干扰能力，从而保持量子相干性；实验上，压缩后的猫态在退相干限制条件下实现了65(±5)%的保真度，且保真度有所提升。

ABSTRACT

Cat states, with their unique phase-space interference properties, are ideal candidates for understanding fundamental principles of quantum mechanics and performing key quantum information processing tasks. However, they are highly susceptible to photon loss, which inevitably diminishes their quantum non-Gaussian features. Here, we protect these non-Gaussian features against photon loss by compressing the phase-space distribution of a cat state. We achieve this compression with a deterministic technique based on the echo conditional displacement operation in a circuit QED device. We present a versatile technique for creating robust non-Gaussian continuous-variable resource states in a highly linear bosonic mode and manipulating their phase-space distribution to achieve enhanced resilience against photon loss. Compressed cat states offer an attractive avenue for obtaining new insights into quantum foundations and quantum metrology, and for developing inherently more protected bosonic codewords for quantum error correction.

研究动机与目标

• 为解决猫态对光子丢失的脆弱性，该脆弱性会降低其非高斯量子干涉特征。
• 开发一种确定性、硬件高效的方案，以增强连续变量量子态对退相干的鲁棒性。
• 展示相空间压缩作为重塑特征函数分布图的一种手段，用于保护量子干涉。
• 在电路QED平台上通过条件位移操作实验验证该技术。
• 量化误差预算并识别限制态保真度的主要退相干通道。

提出的方法

• 通过cQED架构中本征单腔和 transmon 门实现的确定性回声条件位移操作，实现相空间压缩。
• 该方法通过调节猫态的特征函数，减小干涉特征的空间展宽，使其对光子丢失引起的低通滤波效应不那么敏感。
• 使用三组 $\hat{U}\hat{V}$ 操作序列，实现 -3 至 -7 dB 的压缩水平，仿真中保真度 >0.99。
• 通过与理想态的重叠度评估态制备保真度，考虑了包括腔体退化、退相干和读出误差在内的退相干模型。
• 该协议可适配不同硬件参数，且通过后选择可减轻 transmon T1 退化的影响。
• 通过主方程模拟进行误差分析，以分离各退相干通道和读出保真度不足的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 相空间压缩能否以确定性、可扩展的方式保护猫态的非高斯干涉特征免受光子丢失影响？
• RQ2 在真实退相干条件下，压缩相空间分布对量子干涉鲁棒性有何影响？
• RQ3 在具有真实噪声和门操作缺陷的cQED平台上，压缩猫态可实现的保真度是多少？
• RQ4 在态制备与测量过程中，哪些退相干通道主导了误差预算？
• RQ5 仅使用标准cQED设置中的本征门，能否实现条件位移操作，以支持实际应用？

主要发现

• 相空间压缩技术通过将高频分量移近原点，有效保护了量子干涉特征，降低了其对光子丢失引起的滤波效应的敏感性。
• 仿真结果表明，通过三组 $\hat{U}\hat{V}$ 操作，可实现 -3 至 -7 dB 的压缩水平，保真度 >0.99。
• 实验上，在退相干限制条件下，压缩猫态实现了 65(±5)% 的保真度，与误差预算分析结果一致。
• 主要误差源为辅助比特退相干（4%）和退化（2%），加上读出误差（|e⟩→|e⟩ 为5%），共同限制了整体保真度。
• 测得的真空态对比度约为 88.4%，验证了 $\hat{U}$ 门约 7% 的保真度不足和读出约 3.2% 的误差，为态保真度评估提供了归一化基准。
• 测量过程中采用后选择可降低 transmon T1 退化的影响，使态制备链中每步操作的保真度估计提升至约 5%。