Transmon Architecture for Emission and Detection of Single Microwave Photons

Resumen Técnico: Arquitectura Transmon para la Emisión y Detección de Fotones de Microondas Individuales

Problema y Motivación
La escalabilidad de las computadoras cuánticas y la realización de redes de sensores distribuidos requieren la capacidad de interconectar unidades de procesamiento cuántico (QPU) físicamente separadas. Los circuitos superconductores, que interactúan fuertemente con guías de onda unidimensionales, son adecuados para esta tarea. Sin embargo, las arquitecturas existentes de Interfaz de Comunicación Cuántica (QCI) enfrentan desafíos relacionados con la compacidad, la sintonización de frecuencia y la capacidad de proporcionar un aislamiento suficiente para prevenir la decoherencia de la QPU mientras se habilita el entrelazamiento selectivo. Específicamente, existe la necesidad de un dispositivo que pueda funcionar tanto como fuente de fotones individuales como detector, operar bajo las estrictas restricciones de frecuencia de las QPU transmon estándar e interconectarse con chips heterogéneos o transductores de microondas a óptica sin requerir una coincidencia de frecuencia rígida.

Metodología
Los autores desarrollaron un circuito superconductor compacto de Emisor/Detector Transmon (TED). La arquitectura TED utiliza un Acoplador de Doble Transmon (DTC) recientemente desarrollado para interconectar un transmon de "datos" de larga vida ($Q_d$) con un transmon acoplado a una guía de onda ($Q_w$). El DTC consta de dos transmons ($Q_c$ y $Q_w$) unidos por una unión Josephson inductiva, con $Q_c$ actuando como elemento de acoplamiento entre $Q_d$ y $Q_w$.

• Diseño del Circuito: El transmon de datos $Q_d$ está acoplado capacitivamente al transmon de acoplamiento $Q_c$. El transmon de acoplamiento $Q_c$ y el transmon de guía de onda $Q_w$ están acoplados inductivamente. Una línea de flujo externa modula el DTC, permitiendo un control paramétrico de la interacción entre $Q_d$ y $Q_w$ mientras se mantiene a $Q_c$ lejos de la resonancia.
• Principio de Funcionamiento: El TED opera modulando el flujo del DTC a la frecuencia de diferencia entre $Q_d$ y $Q_w$. Esto crea una interacción de intercambio paramétrico que hibrida los estados de $Q_d$ y $Q_w$.
  • Emisión: Para emitir un fotón, el sistema se inicializa y un impulso paramétrico hibrida $Q_d$ con $Q_w$, permitiendo que la excitación decaiga hacia la guía de onda.
  • Detección: Para detectar un fotón, el sistema se prepara en un estado excitado. Un fotón entrante desencadena una transición y un impulso paramétrico lleva al sistema a un estado excitado superior que luego se relaja irreversiblemente al estado fundamental, "enganchando" el detector.
• Configuración Experimental: Se fabricaron dos dispositivos TED (un TED fuente, sTED, y un TED de medición, mTED) con parámetros nominalmente idénticos. Fueron conectados mediante aproximadamente un metro de cable coaxial, un acoplador direccional y un circulador. El circulador impuso un continuo de modos, enrutando fotones desde el sTED hacia el mTED mientras dirigía los campos reflejados a la cadena de medición.
• Modelado Teórico: El sistema fue modelado utilizando el formalismo SLH (Scattering-Lindblad-Hamiltonian) para describir la red de componentes localizados (TEDs y circulador) interactuando mediante modos bosónicos itinerantes. Las mediciones de retrodispersión coherente se utilizaron para calibrar el sistema y extraer parámetros como tasas de relajación y ocupación térmica.

Contribuciones Clave

1. Arquitectura de Doble Funcionalidad: El artículo demuestra una única arquitectura de circuito capaz de actuar tanto como fuente de fotones individuales como detector de fotones individuales, destacando la flexibilidad del diseño basado en DTC.
2. Sintonización de Frecuencia y Aislamiento: El TED desacopla la frecuencia de resonancia del qubit de datos ($Q_d$) del transmon acoplado a la guía de onda ($Q_w$). $Q_w$ es sintonizable a lo largo de varios cientos de MHz mediante polarización de flujo, relajando los estrictos requisitos de coincidencia de frecuencia para la distribución de entrelazamiento entre dispositivos heterogéneos, mientras que $Q_d$ permanece estático y compatible con las restricciones de frecuencia estándar de las QPU.
3. Esquema de Detección Eficiente: Los autores introdujeron y caracterizaron un esquema de detección de fotones adaptado al TED. Este esquema se basa en un proceso selectivo de transición donde un fotón incidente desencadena un impulso paramétrico que engancha el detector al estado fundamental.
4. Caracterización Exhaustiva: El trabajo incluye un análisis detallado de la dispersión reflectiva coherente (retrodispersión) para extraer parámetros del sistema y un modelo teórico del sistema compuesto utilizando la teoría SLH.

Resultados

• Rendimiento del Dispositivo: El mTED fue caracterizado mediante retrodispersión coherente, arrojando una frecuencia de resonancia de $\omega_{wm}/2\pi = 5.65811(1)$ GHz y una tasa de relajación $\gamma_m = 11.2(1) \times 10^6$ s$^{-1}$. La ocupación térmica de la guía de onda se midió en $n_{th} = 0.015(3)$.
• Operación de la Fuente: El sTED emitió exitosamente fotones en estado de Fock. El proceso de emisión fue controlado por un impulso paramétrico conformado, liberando el fotón hacia la guía de onda con un perfil de frecuencia estrecho. Los procesos de reinicio y emisión requirieron aproximadamente 2 $\mu$s cada uno.
• Operación de Detección: El mTED demostró una detección de alta eficiencia. El protocolo implicó preparar el mTED en un estado excitado y aplicar un impulso paramétrico para facilitar el mecanismo de enganche al llegar el fotón.
• Demostración de Extremo a Extremo: En la configuración "lanzamiento y detección" (pitch-and-detect), el sTED emitió un estado de Fock de microondas individual que fue posteriormente detectado por el mTED.
  • El sistema detectó el 60% de los fotones en estado de Fock emitidos.
  • Basándose en la fidelidad de referencia medida y considerando las pérdidas del cable (estimadas en un 35%), los autores infieren una eficiencia de detección del 95% en la entrada del TED de medición.
  • La duración total del protocolo (reinicio + emisión/detección) fue de aproximadamente 4 $\mu$s.
  • Se encontró que la probabilidad de detección era en gran medida independiente del tiempo de llegada del fotón dentro de la ventana de detección de 10 $\mu$s.
• Cuentas Oscuras: El sistema exhibió una tasa de cuentas oscuras del 8% (reducida al 16% con una ventana más larga de 10 $\mu$s), consistente con la relajación $T_1$ del qubit de datos.

Significado
El artículo afirma que la arquitectura TED representa un nuevo caso de uso para el Acoplador de Doble Transmon (DTC), ofreciendo un enlace compacto, de inserción directa, sintonizable y selectivo de transición entre un transmon de datos coherente y una guía de onda. Los autores afirman que circuitos como el TED jugarán un papel vital en el procesamiento de información cuántica al:

• Facilitar un reinicio rápido incondicional.
• Habilitar la metrología de fotones de microondas.
• Servir como Interfaz de Comunicación Cuántica (QCI) incipientes.

Estas QCIs se describen como mediadoras para la distribución de entrelazamiento entre QPUs dentro de un criostato o como interfaces para transductores de microondas a óptica destinados a redes cuánticas de larga distancia. El trabajo enfatiza que la capacidad del TED para desacoplar la frecuencia del qubit de datos de la frecuencia de la interfaz de la guía de onda es una ventaja crítica para la interoperabilidad en redes cuánticas escalables.