[论文解读] The Kerr-Cat Qubit: Stabilization, Readout, and Gates

Alexander Grimm, Frattini, Nicholas E.+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

本文提出Kerr-cat量子比特，一种在微波谐振腔中通过Kerr非线性与单模压缩稳定、编码于两个反向相位相干态叠加的超导量子比特。作者展示了横向退相干时间提升10倍，单量子比特门速度比相干时间快60倍，以及单次测量量子非破坏性读出，实现了具备内在错误保护的稳健、高速且可扩展的量子信息处理。

ABSTRACT

Quantum superpositions of macroscopically distinct classical states, so-called Schrödinger cat states, are a resource for quantum metrology, quantum communication, and quantum computation. In particular, the superpositions of two opposite-phase coherent states in an oscillator encode a qubit protected against phase-flip errors. However, several challenges have to be overcome in order for this concept to become a practical way to encode and manipulate error-protected quantum information. The protection must be maintained by stabilizing these highly excited states and, at the same time, the system has to be compatible with fast gates on the encoded qubit and a quantum non-demolition readout of the encoded information. Here, we experimentally demonstrate a novel method for the generation and stabilization of Schrödinger cat states based on the interplay between Kerr nonlinearity and single-mode squeezing in a superconducting microwave resonator. We show an increase in transverse relaxation time of the stabilized, error-protected qubit over the single-photon Fock-state encoding by more than one order of magnitude. We perform all single-qubit gate operations on time-scales more than sixty times faster than the shortest coherence time and demonstrate single-shot readout of the protected qubit under stabilization. Our results showcase the combination of fast quantum control with the robustness against errors intrinsic to stabilized macroscopic states and open up the possibility of using these states as resources in quantum information processing.

研究动机与目标

• 开发一种物理上稳健、具备错误保护的量子比特架构，利用单个振子相空间中的宏观叠加。
• 通过Kerr非线性和单模压缩稳定薛定谔猫态，抑制退相干，实现长寿命的量子叠加。
• 在稳定化的量子比特上实现快速、高保真度的单量子比特门操作和单次测量量子非破坏性（QND）读出。
• 展示快速量子控制与内在错误保护之间的兼容性，实现实用化的容错量子计算。
• 识别并抑制主要退相干通道，特别是泄漏和退相，将量子比特相干时间延长至传统极限以上。

提出的方法

• 量子比特编码为两个相干态 |±α⟩ 的叠加，形成猫态 |Cα±⟩，由于其在相空间中的非局域性，可提供对相位翻转错误的保护。
• 通过Kerr非线性与工程化单模压缩的结合实现稳定，通过改变振子的有效势能景观抑制退相干。
• 系统采用具有可调Kerr相互作用的超导微波谐振腔，动态稳定猫态，以抵抗光子损耗和环境噪声。
• 通过与读出谐振腔的非简并耦合实现单次测量量子非破坏性（QND）读出，可在不坍缩编码态的情况下完成测量。
• 通过针对编码量子比特基态量身定制的共振微波脉冲实现快速单量子比特门，门操作时间超过相干时间最短值的60倍。
• 数值模拟使用含有效参数（n_th = 0.12，κ_ϕ,eff/2π = 230 Hz）的主方程建模退相干，经校准与偏移调整后与实验数据匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超导谐振腔中稳定相干态的宏观叠加，以实现长寿命、错误保护的量子比特态？
• RQ2 能否在不损害其相干性的前提下，对这种稳定化的量子比特执行快速、高保真度的单量子比特操作？
• RQ3 能否在稳定化的猫态量子比特上实现单次测量、量子非破坏性读出，从而实现对编码态的重复测量？
• RQ4 稳定化Kerr-cat量子比特中的主要退相干机制是什么，如何加以抑制？
• RQ5 Kerr非线性与单模压缩的结合在多大程度上提升了量子比特的相干性，超越传统Fock态编码的极限？

主要发现

• 稳定化Kerr-cat量子比特的横向退相干时间（T2）比单光子Fock态编码高出一个数量级以上。
• 单量子比特门的执行时间小于最短相干时间的1/60，展示了高速控制能力。
• 在稳定化条件下，成功实现了对编码量子比特的单次测量量子非破坏性读出。
• 模拟结果中，n_th = 0.12 与 κ_ϕ,eff/2π = 230 Hz 的参数组合，能准确再现比特翻转（≈2.6 μs）、相位翻转（≈110 μs）和泄漏（≈16 μs）时间的实验数据，验证了模型的有效性。
• 观测到的比特翻转速率与平均光子数呈线性关系，证实系统具有适合容错量子计算的偏置噪声特性。
• 泄漏至激发态主要源于势垒之上的能级，表明通过增大光子数比（g3/K）并引入双光子消散，可进一步抑制该通道。