量子コンピューティングにおけるビームスプリッタの性能向上

マイクロ波共鳴器の間での高速かつ正確な操作は、超伝導回路を使った量子コンピューティングやシミュレーションにとって重要だよ。これらの操作を実現する一つの効果的な方法は、共鳴器を非線形コンバータでつなぎ、RFドライブを使ってパラメトリックプロセスを制御することなんだけど、これを速くて高品質にするのは難しいんだ。強いドライブは、望ましくないプロセスを引き起こしたり、コヒーレンスの追加損失をもたらしてパフォーマンスを低下させてしまうことがある。

#重要な原則

ドライブ周波数や環境ノイズを注意深く管理し、コンバータのハミルトニアンの自然対称性を利用することで、不要な非線形アクションを減らせることを示すよ。これにより、コンバータによるデコヒーレンスを防ぐ助けになる。私たちは、2つの高品質マイクロ波キャビティに結合された、差動駆動のDC-SQUIDをコンバータとして使ってる。

#高コヒーレンスビームスプリッタ

このシステムを使って、高コヒーレンスなビームスプリッタを作り、キャビティ間での素早くスワップできるようにしてる。主な制約は、これらのキャビティ内の単一光子損失だね。単一光子しかいない特定の領域でこのビームスプリッタを分析し、損失イベントを特定して選択することで、ビームスプリッタゲートの忠実度を99.98%以上にすることができるって示してる。このパフォーマンスは、今まで達成されたものよりもずっと良いんだ。

#量子物理学での重要性

高品質なボソニックモードの正確な制御は、多体物理学や量子情報科学におけるさまざまな現象を調べるために必要不可欠なんだ。重要な要素は、異なるモード間の結合を管理できるプログラム可能な二モード相互作用で、これは連続変数量子計算には欠かせないもので、量子モデルのシミュレーションにも直接的な応用があるよ。

回路QEDでこの相互作用を実装することには多くの利点がある。これらの超伝導共鳴器は一般的に、コヒーレンスを失う主な原因として単一光子損失があるけど、これはいくつかの重要なデモに効果的に利用されているノイズなんだ。

#実装の課題

高速で正確なビームスプリッタを、超伝導共鳴器の長寿命を維持しながら追加のデコヒーレンスを引き起こさずに実現することは望ましいけど、実現は難しいんだ。もし成功すれば、この相互作用は、共鳴器に保存されたキュービット間の論理ゲートをより良くすることができるよ。

ジョセフソン接合に基づく非線形コンバータを通じて、線形超伝導共鳴器を接続することで、これらの相互作用を実装できる。RFドライブをコンバータに適用すると、周波数空間で広く分離されたモード間にビームスプリッタを活性化し、相互作用を大きく制御できるんだ。

ただ、強く駆動された非線形システムの制御は難しいことがある。コンバータの広帯域性は、結合が不安定なモードを引き起こすさまざまな望ましくないプロセスを引き起こすことがあり、忠実度を損なうことになる。コンバータは、自然なデコヒーレンスによる非コヒーレントな励起に直面することもあり、これもビームスプリッタの相互作用に悪影響を及ぼすんだ。

#回路の革新

非線形の問題を解決するためのアプローチの一つは、有益な対称性を持つ多接合コンバータを設計することだよ。この対称性は、トランスモンのようなシンプルな回路で通常起こる多くの非線形プロセスを抑制できる。私たちの研究では、高Q環境向けに設計された対称DC-SQUID回路を使ってる。

この対称性を効果的に利用するためには、SQUIDは純粋に差動的に駆動される必要がある。これを実現するために、別の「バッファ」モードを通じてこの駆動を適用するメカニズムを導入してる。このおかげで、最小限の駆動による励起で、2つの高Q超伝導キャビティ共鳴器間で高速なビームスプリッタを実行できるんだ。

#高速かつコヒーレントな操作

私たちの設計では、ビームスプリッタの忠実度は共鳴器の単一光子崩壊によってのみ制限され、既存のボソニックエンコーディングスキームと互換性を持っている。まず、デュアルレールキュービットマイクロ波セットアップで単一光子を使って、ビームスプリッタのパルス操作を特定してる。

この方法で、平均ゲート忠実度が99%以上になることに成功し、単一光子損失イベントを検出することでさらに改善できる。この進展は、デュアルレールキュービットに基づく量子コンピューティングセットアップや、よりクリーンなパラメトリック操作のための土台を築くものだよ。

#コンバータ設計

対称DC-SQUIDは、共通モード（カプラー）と差動モード（アクチュエーター）の2つの異なるモードで構成されている。私たちは、カプラーを2つのボソニックモードに選択的に結合できる。アクチュエーターを駆動してもカプラーを励起しないために、電場と磁場を注意深く管理する必要がある。

敏感な量子情報は、カプラーと相互作用する2つの高Qキャビティに保存されていて、この相互作用によってパラメトリックビームスプリッティングが実現される。

実際には、共鳴ビームスプリッティングを可能にする特定の周波数を観察する。ドライブ周波数の差がキャビティの周波数変調に一致すると、効果的な結合のための最適な条件を達成するんだ。

#SQUIDのエンジニアリング

効果的なビームスプリッターハミルトニアンを作成するためには、回路の対称性を利用して慎重にアプローチする必要がある。ドライブは共通モードを励起するのを避けつつ、良好なコヒーレンスを維持する必要がある。この慎重なエンジニアリングによって、望ましくない相互作用に耐性のあるハミルトニアンが得られるんだ。

差動駆動は、忠実度を制限する可能性のある非保護プロセスから遠く離れたドライブ周波数を選ぶことを可能にする。選択した設計の特徴を組み合わせることで、望ましくないコヒーレントアクションやデコヒーレンスによって引き起こされる追加の励起を抑制できる。

#実験の実現

私たちの実験セットアップは、高純度アルミニウムのパッケージに必要な同軸キャビティモードを収めている。SQUIDに関連するストレージモードは、ビームスプリッタの性能を測定するために結合されている。結合強度やモードの周波数変調は、確立された量子原則に基づいてパフォーマンスを最適化するように設定されているよ。

ビームスプリッタの振幅と位相を活性化し制御するために、アクチュエーターに二色RFドライブを使ってる。ドライブ周波数が適切に調整されると、ビームスプリッターハミルトニアンを作成できて、ビームスプリッティングの相互作用を設定できるんだ。

#実験からの観察

デュアルレールキュービットセットアップに関連する効果的な駆動Rabi進化を計算することで、崩壊やデコヒーレンスのタイムスケールを監視してる。ドライブ振幅をスイープしながら結果を測定することで、ビームスプリッタの忠実度を詳細に理解する助けになる。

これらの実験から得られたデータは、ドライブ振幅とカプラー励起の間に直接の関係がないことを示しており、私たちのデザインが望ましくない加熱をうまく管理していることを確認している。加熱率は非常に低く、私たちの装置を効果的に活用できていることを示しているよ。

#ビームスプリッタ性能の特定

キャビティの共同単一光子サブスペースを使ってビームスプリッタの相互作用を特定してる。一つのキャビティに単一光子がある状態からビームスプリッタ相互作用を適用し、その強度を計算してシステムが時間とともに進化する様子を理解するんだ。この測定によって、期待される忠実度やパフォーマンスの限界を確立することができる。

さまざまな実験条件を通じてカプラーの性能を調べると、従来のベンチマークを超える印象的なビームスプリッタの忠実度が得られることが分かる。

#ランダム化ベンチマーキング

システムの忠実度を厳密に評価するために、ランダム化ベンチマーキング技術を使ってる。この方法を使うと、キュービットがノイズやパフォーマンスを劣化させる他の要因の中でどれだけ正確に動作するかを評価できるよ。

異なる条件下でいくつかのデータセットを分析し、私たちのシーケンスが操作の動作をどれだけうまく示すかを確認してる。収集したデータは、量子ノイズ源の影響が大きいことを示していて、設置の最も弱いリンクが光子損失に関わることを強調している。

異なる選択プロトコルを適用すると、損失を検出することで平均ゲート性能を大幅に改善できることが分かる。この発見は、システムの忠実度を向上させるための効果的なエラー検出の価値を強調してる。

#量子操作の未来

私たちの研究結果は、エンジニアリングされたビームスプリッタがさまざまな量子コンピューティングアプリケーションのパフォーマンスを大幅に向上させる能力を示している。適用された技術や原則は、オンチップ共鳴器やハイブリッドアーキテクチャなど、異なる設定にも拡張できるよ。

このシステムの開発は、現在のフレームワークに基づいて、他のタイプの相互作用や能力を探るための道を開く。これには、追加のモードの絞り込みや、最適化されたカプラーから利益を得られる類似のプロセスの実装も含まれる。

デバイスの操作特性を制御しながら高い忠実度を維持することは、この分野のさらなる進展にとって重要だよ。私たちの研究は、先に進むための潜在的な道筋を明確にし、存在するトレードオフを強調しつつ、前進するための実行可能な解決策も示しているんだ。

要するに、マイクロ波ベースのビームスプリッタの構築とその詳細な性能特性化は、デュアルレールキュービットアーキテクチャへの今後の探求の基盤を築くものだ。忠実度やコヒーレンスの向上は、量子コンピューティング技術の限界を押し広げ続ける中で重要になってくるよ。