Microwave quantum communication using a broadened radiative transition of a superconducting artificial atom

利用超导人造原子的展宽辐射跃迁进行微波量子通信

• 批准号: 22KJ0909
• 负责人: 砂田 佳希
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0909/
• 关键词: 超伝導量子ビット; 伝搬マイクロ波光子; パーセルフィルタ; 分散読み出し

研究課題「超伝導人工原子の発光遷移の広帯域化とそれを用いたマイクロ波量子通信」の第一段階として、昨年度までに開発したデバイスを用いて伝搬マイクロ波光子の送信実験を行った。高効率に受信できる光子を生成するため、光子の波形と周波数を同時に制御する手法を考案した。この手法の実験的実証には、報告者のサポートのもとで研究室の後輩が取り組んだ。その結果、時間反転対象な波形の光子を共振器の帯域内の任意の周波数で生成することに成功した。研究課題の第二段階としては、多段パーセルフィルタを実装した光子送受信デバイスを作製した。広帯域なフィルタを実現するため、ジョセフソン接合を含む分布定数回路上で多極フィルタを設計する手法を考案した。この手法を用いて設計したデバイスを作製・測定したところ、多段パーセルフィルタは実現されていたが、設計とのずれにより所望の多極フィルタにはなっていなかった。しかし、このデバイスを用いて量子ビットの分散読み出しを試みたところ、世界最高の精度および速度を達成できた。この成果については、「多段パーセルフィルタを用いた超伝導量子ビットの高速な読み出し」として学会発表を行った。また、多極フィルタを設計する中で着想を得た「非線型パーセルフィルタ」を作製した。これは、量子ビットを高速かつ高精度に読み出せるデバイスにおいては、量子ビットが読み出し線内の熱ノイズに敏感になってしまうという問題を解決するものである。非線型パーセルフィルタを実装したデバイスを作製して測定した結果、ノイズには不敏感だが読み出し信号には敏感であるような非線型な応答を確認できた。

作为我们研究项目“超导人造原子的宽带发射跃迁和利用它的微波量子通信”的第一步，我们进行了使用去年开发的设备传输传播微波光子的实验。为了产生可以高效接收的光子，我们设计了一种同时控制光子波形和频率的方法。该方法的实验演示是由实验室的一位初级同事在演示者的支持下进行的。结果，他们成功地在谐振器频带内的任意频率下产生了具有时间可逆波形的光子。作为研究项目的第二步，我们创建了一个配备多级珀塞尔滤波器的光子发射和接收装置。为了实现宽带滤波器，我们设计了一种在包含约瑟夫森结的分布常数电路上设计多极滤波器的方法。当使用这种方法设计的器件被制造和测量时，实现了多级珀塞尔滤波器，但由于与设计的偏差，它并不是期望的多极滤波器。然而，当他们尝试使用该设备分布式读取量子位时，他们能够实现世界上最高的精度和速度。这一结果在一次学术会议上以“使用多级珀塞尔滤波器快速读出超导量子位”的形式发表。我们还创建了一个“非线性 Purcell 滤波器”，这是我们在设计多极滤波器时得到的想法。这解决了在能够高速且高精度地读出量子位的设备中，量子位对读出线中的热噪声变得敏感的问题。通过制造和测量配备有非线性 Purcell 滤波器的设备，我们确认了对噪声不敏感但对读取信号敏感的非线性响应。