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Jul 22, 2023

높은 사이의 파라메트릭 세로 결합

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4773(2022) 이 기사 인용 3482 액세스 6 인용 2 Altmetric Metrics 세부 정보 초전도 공진기에 큐비트를 결합하면 메커니즘을 제공합니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4773(2022) 이 기사 인용

3482 액세스

6 인용

2 알트메트릭

측정항목 세부정보

큐비트를 초전도 공진기에 결합하면 반도체 재료의 스핀을 기반으로 하는 양자 컴퓨터에서 장거리 얽힘 작업을 가능하게 하는 메커니즘이 제공됩니다. 여기에서는 스핀 큐비트와 공진기 사이의 종방향 상호 작용을 기반으로 제어 가능한 스핀-광자 결합을 보여줍니다. 우리는 단일-삼중 큐비트를 고임피던스 초전도 공진기에 결합하면 큐비트가 공진기의 주파수 근처에서 구동될 때 원하는 세로 결합을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 우리는 공진기 안티노드 근처에 적용된 마이크로파 신호의 구동 진폭과 주파수의 함수로 큐비트의 에너지 분할을 측정하여 세로 결합으로 인해 공진기 주파수에 가까운 뚜렷한 효과를 나타냅니다. 드라이브의 진폭을 조정함으로써 우리는 1MHz를 초과하는 종방향 결합을 갖는 영역에 도달합니다. 큐비트-공진기 결합을 위한 이 메커니즘은 초전도 공진기에 의해 매개되는 충실도가 높은 2큐비트 게이트를 생성하기 위한 디딤돌을 나타냅니다.

갈륨비소(GaAs) 및 실리콘과 같은 반도체 재료의 전자 스핀은 양자 컴퓨터를 실현하기 위한 유망한 후보입니다1,2,3,4,5. 긴 일관성 시간과 빠른 제어를 통해 단일 전자 스핀 큐비트에서 ~99.95%에 도달하는 충실도가 높은 단일 큐비트 게이트가 가능합니다6. 단일 스핀 큐비트 외에도 하이브리드 큐비트, 교환 전용 큐비트, 단일항 삼중항 큐비트(S-T0)7,8,9 등 다중 스핀과 다중 양자점으로 구성된 여러 종류의 스핀 큐비트가 있습니다. 시연되었습니다. 이러한 큐비트는 일반적으로 충전에 대한 결합이 증가하여 빠른 전압 제어 큐비트 게이트를 허용합니다. S-T0 큐비트는 균일한 자기장에 대한 결합이 감소하기 때문에 바람직하며 99.5%10의 단일 큐비트 게이트 충실도를 달성했습니다. 2큐비트 게이트는 이전에 ~90%의 충실도로 이러한 큐비트에 대해 시연되었지만11 이러한 게이트는 느리고 가장 가까운 이웃 결합에 의존하므로 확장성이 제한됩니다. 예를 들어 전하 전달을 위한 양자점 배열을 사용하거나 회로 QED(cQED) 기술을 적용하여 초전도 공진기를 사용하여 전자 스핀을 생성하는 등 장거리 2큐비트 결합을 달성하는 데 많은 관심이 집중되고 있습니다. 양자 컴퓨팅 기술을 위한 확장 가능한 플랫폼입니다.

스핀 큐비트에서 cQED 기술 구현에 대한 광범위한 작업이 최근 시연되었으며16,17,18,19,20,21,22 유망한 진전에도 불구하고23,24 아직 2큐비트 게이트가 달성되지 않았습니다. 탐구된 큐비트-공진기 결합은 스핀 큐비트의 쌍극자 모멘트와 결합되는 공진기에 의해 생성된 강한 전기장에 의존합니다. 가장 일반적으로 고려되는 결합 방식은 스핀과 공진기 사이의 가로 결합으로, 스핀 큐비트의 여기가 공진기 여기로 교환될 수 있습니다. 이를 위해서는 큐비트 에너지 분할이 공진기 주파수 근처에 있어야 하며 일반적으로 퍼셀 효과로 인해 수명이 단축됩니다. 최근에는 이러한 제한이 없는 세로 상호 작용을 기반으로 하는 대체 결합 방식에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 스핀 큐비트는 이전에 실험적으로 입증되지 않았지만 종방향 결합에 매우 적합합니다. 이전 이론적 연구33에서는 단일-삼중 큐비트에 대한 이러한 결합 방식을 조사하여 평균 2큐비트 게이트 충실도 96%와 게이트 시간 약 10ns를 예측했습니다. 이온 트랩 큐비트35,36에서 고충실도 2큐비트 게이트에 일반적으로 사용되는 Mølmer-Sørensen 게이트34와 유사한 이 접근 방식은 2큐비트 결합을 생성하기 위해 스핀과 공진기 사이의 순전히 세로 방향 상호 작용에 의존합니다.

이 기사에서는 단일항-삼중항(S−T0) 큐비트와 고임피던스 초전도 공진기 사이의 세로 결합을 달성하기 위한 실험적 노력을 보여줍니다. 우리는 우리 장치가 고정된 스퓨리어스 분산 결합 외에도 직접 구동으로 조정할 수 있는 중요한 세로 결합을 가지고 있음을 보여줍니다. 우리는 각 결합 항을 분리하고 개별 결합 강도를 측정할 수 있는 측정 시퀀스를 제시합니다. 이 시퀀스는 큐비트의 절묘한 감도를 활용하여 공진기 매개변수와 큐비트-공진기 결합 강도를 추출할 수 있습니다. 구동 진폭을 조정함으로써 분산 항을 초과하는 종방향 결합 강도를 달성할 수 있습니다. 이는 하이브리드 회로 QED 시스템 내에서 흥미로운 영역이자 공진기에 의해 매개되는 2큐비트 결합을 생성하는 중요한 디딤돌입니다.