[论文解读] Superconducting cavity qubit with tens of milliseconds single-photon coherence time
该论文通过使用高纯度铌腔以最小化表面损耗，并采用与 transmon 耦合较弱的方案实现量子比特控制，展示了一种超导腔量子比特，其单光子相干时间达到 34 ms，比以往结果长逾十倍。该系统实现了 1024 光子的薛定谔猫态制备，展示了在玻色量子纠错方面的潜力。
Storing quantum information for an extended period of time is essential for running quantum algorithms with low errors. Currently, superconducting quantum memories have coherence times of a few milliseconds, and surpassing this performance has remained an outstanding challenge. In this work, we report a qubit encoded in a novel superconducting cavity with a coherence time of 34 ms, an improvement of over an order of magnitude compared to previous demonstrations. We use this long-lived quantum memory to store a Schrödinger cat state with a record size of 1024 photons, indicating the cavity's potential for bosonic quantum error correction.
研究动机与目标
- 将超导电路中的量子相干时间延长，以支持容错量子计算和量子网络。
- 克服由表面氧化物损耗和 transmon 引发的退相干导致的超导腔量子比特相干时间短的限制。
- 开发一种高相干性的量子存储器，能够存储大 Fock 态叠加态，用于玻色量子纠错。
- 展示一种可扩展的平台，利用具有工程化表面特性的微波腔实现长寿命量子信息存储。
提出的方法
- 采用电子束焊接和表面抛光工艺制造高纯度铌腔，以最小化损耗性表面氧化物。
- 采用半椭球形腔体结构，将电场集中在 transmon 耦合点，减少芯片引入的损耗。
- 通过带状线谐振器将腔体弱耦合至 transmon 量子比特，以最小化退相干，同时实现量子态操控。
- 使用强参数驱动补偿低耦合速率，并减少 transmon 引发的误差。
- 在 10 mK 下进行经典环形衰减测量以表征空腔，测得衰减时间为 0.11 s（Q₀ ≈ 3×10⁹）。
- 采用量子层析和偶 parity 测量验证猫态制备与保真度，使用 TWPA 和 HEMT 放大器实现低噪声读出。
实验结果
研究问题
- RQ1通过改进表面工程和耦合控制，超导腔量子比特能否实现超过 10 ms 的单光子相干时间？
- RQ2在高 Q 值腔体中，弱 transmon 耦合在多大程度上可减轻退相干和非线性效应？
- RQ3能否在微波腔中制备并相干保持一个包含超过 1000 个光子的薛定谔猫态？
- RQ4光子损耗、transmon 读出保真度不足和克尔非线性如何共同限制大猫态干涉条纹的可见度？
- RQ5腔体表面质量和环境耦合在决定单光子量子比特最终相干时间方面起什么作用？
主要发现
- 该腔体实现了单光子弛豫时间 T₁ᶜ = 25.6 ± 0.2 ms 和相干时间 T₂ᶜ = 34 ± 1 ms，相比以往工作提升了约一个数量级。
- 空腔的典型环形衰减测量得到的衰减时间为 0.11 s（Q₀ = 3×10⁹），接近未经热处理的真空退火铌腔的数值。
- 成功制备并表征了包含 1024 个光子的薛定谔猫态，光子数量相比以往演示提升了十倍。
- 在偶 parity 测量中，小猫态的条纹可见度为 0.95，而 1024 光子猫态的可见度下降至 0.86，表明高光子数下测量保真度降低。
- 模拟结果表明，大猫态的实际可见度显著低于理论预测，提示存在未被计入的误差，如校准敏感性或超出位移模型的非线性效应。
- 测得腔体克尔非线性为 Kc = 2π × 3.6 Hz，相位坍缩时间为 4 ms，长于猫态 54 μs 的相干时间，表明克尔效应并非主导退相干机制。
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