[论文解读] Single-Shot Readout of Macroscopic Quantum Superposition State in a Superconducting Flux Qubit

Hirotaka Tanaka, Shiro Saito+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2004

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文通过电流偏置的dc-SQUID探测器，实现了对超导通量量子比特中宏观量子叠加态的单次测量。通过在低于100 nA的窄切换电流工作区域操作SQUID，研究人员实现了对量子比特能量本征态|0⟩和|1⟩的清晰、非重叠的读出，通过微波诱导的跃迁证实了相干量子行为，并观测到退相干时间T₂* ≈ 5 ns。

ABSTRACT

Single-shot readout experiments were performed on the two lowest-energy states of a superconducting qubit with three Josephson junctions embedded in a superconducting loop. We measured the qubit state via switching current Isw of a current-biased dc-SQUID, a quantum detector surrounding the qubit loop. The qubit signals were measured in a small Isw regime of the SQUID, typically less than 100 nA, where the Isw distribution is particularly narrow. The obtained single-shot data indicate that the qubit state is readout, through the flux generated by the qubit persistent-current, as energy eigenstates rather than current eigenstates.

研究动机与目标

• 实现对超导通量量子比特中宏观量子叠加态的单次测量。
• 通过展示高保真度、实时的状态检测，克服平均读出的局限性。
• 通过微波诱导跃迁确认宏观量子相干性的存在。
• 利用所制造的可扩展固态量子比特研究量子与经典之间的边界。

提出的方法

• 采用悬空桥接和遮蔽蒸发技术，制备了具有三个约瑟夫森结的超导通量量子比特。
• 通过互感M ≈ 7 pH将量子比特磁性耦合至电流偏置的dc-SQUID探测器。
• 通过测量SQUID在窄切换电流分布区域（通常<100 nA）的切换电流（I_sw）实现单次测量。
• 在通量偏置点使|0⟩和|1⟩态的I_sw分布完全分离时操作量子比特。
• 施加共振频率的微波辐射，以探测量子比特态之间的相干跃迁。
• 使用热力学和量子统计模型，将实验数据与经典分布预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 单次测量能否以高保真度分辨超导通量量子比特的两个最低能级态？
• RQ2 所观测到的切换电流分布是否反映能量本征态而非电流本征态？
• RQ3 系统中是否存在宏观量子相干性，其证据为微波诱导的跃迁？
• RQ4 量子比特态的退相干时间T₂*与共振跃迁的观测线宽之间有何关系？
• RQ5 实验结果是否证实宏观量子物体遵循经典统计力学？

主要发现

• 单次测量成功区分了|0⟩和|1⟩能量本征态，切换电流分布无重叠。
• 测得的退相干时间T₂*约为5 ns，由微波诱导跃迁的线宽推导得出。
• 在共振频率下施加微波辐射可诱导|0⟩到|1⟩态的可测量跃迁，证实了相干量子隧穿的存在。
• 实验测得的切换电流数据与基于有限温度下经典分布的理论预测高度一致。
• 在高保真度样品中未观测到χ形交叉台阶，表明量子隧穿被抑制，与高势垒及热激发占主导地位一致。
• 系统表现出与宏观量子物体遵循统计力学一致的行为，经热平均和直方图分析验证。