mile米乐集团 超导人造原子和微波光子之间通过单次反射进行量子比特交换

8219_8708已应用物理审查

近年来，为了实现大规模量子计算机，国际上展开了开发集成大量量子比特的量子处理器的竞赛，这些量子比特携带量子信息。尽管量子位的物理实现有多种，但使用超导电路的超导量子位是开发中最先进的之一，并且现已创建了包含数百个超导量子位的量子处理器。然而，要创建真正有用的量子计算机，需要高一个数量级的量子位。然而，由于布线和发热等技术问题，单个量子处理器可集成的量子比特数量存在上限，无法指望从目前的情况获得显着改进。分布式量子计算机使用像光子一样移动的粒子作为量子比特，并连接多个量子处理器以大幅增加量子比特的数量，预计将成为一种有前途的解决方案。

超导人造原子处于超导状态非线性LC电路^※１实现，并使用电路的基态|g>和第一激发态|e>作为量子位。换句话说，超导量子位的状态为α₁|g>+α₂|e>(α₁，α₂是复系数）。另一方面，微波光子有两种类型的载波频率（10208 和 10266 GHz）。单光子^※２，低频状态|ω_L>和高频状态|ω_H> 用作量子位。换句话说，微波光子的状态是β₁|ω_L>+ β₂|ω_H>(β₁,β₂是复系数）。在本研究中使用的设备中，超导人造原子通过谐振器耦合到波导（图 1）。当超导人造原子被适当频率和强度的微波驱动时，当微波光子通过波导注入时，两者之间的量子信息在反射后进行交换。即反射后的超导量子位处于状态β₁|g>+ β₂|e> 处，微波光子量子位处于状态 α₁|ω_L>+ α₂|ω_H> 分别。用量子计算的术语来说，这是一种称为两个量子位交换 (SWAP) 门的操作。

在这项研究中，我们通过实验证实了超导人造原子和微波光子之间确实发生了双向量子态转移。到目前为止，已经有关于将一个量子位从超导人造原子单向转移到微波光子，或从微波光子到超导人造原子的方案的报道，但这是第一次证明两个量子位的双向转移。

在从微波光子到超导人造原子的转移实验中，任意起始态（β₁|ω_L>+ β₂|ω_H>)处的微波光子入射到基态|g>的超导人造原子上，测量反射后超导人造原子的量子态。在最初的交换门中，单个光子作为微波入射，但在本研究中，它是弱波相干光^※２我们注入了一个脉冲（平均光子数约为01），并根据反射后超导人造原子态的平均光子数的依赖性来估计单光子注入的结果。图 2 显示了六种入射微波状态反射后的超导人造原子。密度矩阵^※３微波光子的初始状态和超导人造原子的最终状态非常匹配，证实了量子位确实正在转移。保真度^※４的平均值是0826。

从超导人造原子到微波光子的传输实验如下进行。首先，我们初步定义超导人造原子和微波光子的初始态为|g>和|ω_L>(|e> 和 |ω_H>)，反射后微波脉冲的振幅 ζ_L（z）_H）。那么任意起始状态α₁|g>+ α₂|e> 单色微波光子 |ω_L>(|ω_H>) 为入射、反射后微波脉冲的振幅 Ψ_L(xi_H)。通过计算这四种输出幅度的重叠积分，可以估计反射后微波光子的最终状态。图3显示了六种超导人造原子初始态反射后微波光子的密度矩阵。超导人造原子的初始状态和微波光子的最终状态非常匹配，证实了量子位确实正在转移。六种输入条件的平均保真度为 0801。

集成技术的最新进展使得将数百个量子位合并到单个量子处理器中成为可能。该结果展示了一种轻松交换超导量子位和可传播微波光子量子位的方法，并为实现连接多个量子处理器的分布式量子计算机提供了具体方法。此次演示的超导人造原子与微波光子的相互作用方法具有以下特点。 （1）该装置采用的超导人工原子-谐振器耦合系统（图1）是超导量子处理器采用的标准配置。换句话说，这里演示的交互方法可以立即应用于最新的超导量子处理器。 (2)通过调节施加在超导人造原子上的驱动波的频率和强度，可以自由控制门的类型。例如，交互方法可以轻松地从“量子比特交换”更改为“量子纠缠生成”。利用这些特性的“分布式”超导量子计算有望得到各种应用。

^※１非线性LC电路

在仅由线圈和电容器组成的普通LC电路中，用约瑟夫森结（非线性电感器）代替线圈的电路。在普通LC电路中，量子化能级之间的间距是恒定值，但在非线性LC电路中，它不是恒定的并且充当人造原子。[返回参考源]

^※２单光子/相干态

仅包含一个光子（光的基本粒子）的脉冲称为单光子（态）。相比之下，普通光（电磁波）处于不同数量光子的量子力学叠加态，称为相干态。[返回来源]

^※３密度矩阵

以埃尔米特矩阵表示的量子态。由两种状态表示的物理系统的量子态，例如量子比特，被表示为 2×2 埃尔米特矩阵。[返回来源]

^※４保真度

两个量子位状态的接近程度的度量。它取0到1之间的实数，如果两个量子位完全不同则为0，如果相同则为1。[返回来源]

已出版的杂志：已应用物理审查
论文标题：单反射超导和微波光子量子位之间的双向状态转移

小筱一树
东京医科齿科大学文学院
副教授，物理领域
·研究领域
量子器件理论

猪俣国宏
国立产业技术综合研究所
全球量子与人工智能融合技术业务发展研究中心量子器件测量团队团队负责人
·研究领域
超导量子电路实验