Transmon Architecture for Emission and Detection of Single Microwave Photons

Sintesi Tecnica: Architettura Transmon per l'Emissione e la Rivelazione di Singoli Fotoni a Microonde

Problema e Motivazione
La scalabilità dei computer quantistici e la realizzazione di reti di sensori distribuiti richiedono la capacità di interconnettere unità di elaborazione quantistica (QPU) fisicamente separate. I circuiti superconduttori, che interagiscono fortemente con guide d'onda unidimensionali, sono particolarmente adatti a questo compito. Tuttavia, le architetture esistenti di Interfaccia di Comunicazione Quantistica (QCI) affrontano sfide relative alla compattezza, alla sintonizzabilità in frequenza e alla capacità di fornire un isolamento sufficiente per prevenire la decoerenza delle QPU, pur consentendo l'entanglement selettivo. Nello specifico, vi è la necessità di un dispositivo in grado di funzionare sia come sorgente di singoli fotoni che come rivelatore, operare con i vincoli di frequenza rigorosi delle QPU transmon standard e interfacciarsi con chip eterogenei o trasduttori da microonde a ottico senza richiedere un abbinamento di frequenza rigido.

Metodologia
Gli autori hanno sviluppato un circuito superconduttore compatto Transmon Emitter/Detector (TED). L'architettura TED utilizza un recentemente sviluppato Double Transmon Coupler (DTC) per interfacciare un transmon "dati" a lunga vita ($Q_d$) con un transmon accoppiato alla guida d'onda ($Q_w$). Il DTC è costituito da due transmon ($Q_c$ e $Q_w$) collegati da una giunzione Josephson induttiva, con $Q_c$ che funge da elemento di accoppiamento tra $Q_d$ e $Q_w$.

• Progettazione del Circuito: Il transmon dati $Q_d$ è accoppiato capacitivamente al transmon di accoppiamento $Q_c$. Il transmon di accoppiamento $Q_c$ e il transmon della guida d'onda $Q_w$ sono accoppiati induttivamente. Una linea di flusso esterna modula il DTC, consentendo un controllo parametrico dell'interazione tra $Q_d$ e $Q_w$ mantenendo $Q_c$ lontano dalla risonanza.
• Principio di Funzionamento: Il TED opera modulando il flusso del DTC alla frequenza di differenza tra $Q_d$ e $Q_w$. Ciò crea un'interazione di scambio parametrica che ibridizza gli stati di $Q_d$ e $Q_w$.
  • Emissione: Per emettere un fotone, il sistema viene inizializzato e un'azione parametrica ibridizza $Q_d$ con $Q_w$, consentendo all'eccitazione di decadere nella guida d'onda.
  • Rivelazione: Per rivelare un fotone, il sistema viene preparato in uno stato eccitato. Un fotone in arrivo innesca una transizione e un'azione parametrica porta il sistema a uno stato eccitato superiore che successivamente si rilassa in modo irreversibile allo stato fondamentale, "bloccando" il rivelatore.
• Setup Sperimentale: Sono stati fabbricati due dispositivi TED (un TED sorgente, sTED, e un TED di misura, mTED) con parametri nominalmente identici. Sono stati collegati tramite circa un metro di cavo coassiale, un accoppiatore direzionale e un circolatore. Il circolatore ha imposto un continuum di modi, instradando i fotoni dallo sTED all'mTED mentre dirigeva i campi riflessi verso la catena di misura.
• Modellazione Teorica: Il sistema è stato modellato utilizzando il formalismo SLH (Scattering-Lindblad-Hamiltonian) per descrivere la rete di componenti localizzati (TED e circolatore) che interagiscono tramite modi bosonici itineranti. Misure di scattering coerente retro-riflesso sono state utilizzate per calibrare il sistema ed estrarre parametri quali tassi di rilassamento e occupazione termica.

Contributi Chiave

1. Architettura a Doppia Funzionalità: Il documento dimostra un'unica architettura di circuito in grado di agire sia come sorgente di singoli fotoni che come rivelatore di singoli fotoni, evidenziando la flessibilità del design basato su DTC.
2. Sintonizzabilità in Frequenza e Isolamento: Il TED disaccoppia la frequenza di risonanza del qubit dati ($Q_d$) dal transmon accoppiato alla guida d'onda ($Q_w$). $Q_w$ è sintonizzabile su diverse centinaia di MHz tramite polarizzazione di flusso, allentando i rigorosi requisiti di abbinamento di frequenza per la distribuzione dell'entanglement tra dispositivi eterogenei, mentre $Q_d$ rimane statico e compatibile con i vincoli di frequenza standard delle QPU.
3. Schema di Rivelazione Efficiente: Gli autori hanno introdotto e caratterizzato uno schema di rivelazione di fotoni adattato al TED. Questo schema si basa su un processo selettivo per transizione in cui un fotone incidente innesca un'azione parametrica che blocca il rivelatore nello stato fondamentale.
4. Caratterizzazione Completa: Il lavoro include un'analisi dettagliata dello scattering coerente retro-riflesso (backscatter) per estrarre i parametri del sistema e un modello teorico del sistema composito utilizzando la teoria SLH.

Risultati

• Prestazioni del Dispositivo: L'mTED è stato caratterizzato tramite scattering coerente retro-riflesso, producendo una frequenza di risonanza di $\omega_{wm}/2\pi = 5.65811(1)$ GHz e un tasso di rilassamento $\gamma_m = 11.2(1) \times 10^6$ s$^{-1}$. L'occupazione termica della guida d'onda è stata misurata a $n_{th} = 0.015(3)$.
• Funzionamento della Sorgente: Lo sTED ha emesso con successo fotoni nello stato di Fock. Il processo di emissione è stato controllato da un'azione parametrica modellata, rilasciando il fotone nella guida d'onda con un profilo di frequenza stretto. I processi di reset ed emissione hanno richiesto ciascuno circa 2 $\mu$s.
• Funzionamento della Rivelazione: L'mTED ha dimostrato un'efficienza di rivelazione elevata. Il protocollo prevedeva la preparazione dell'mTED in uno stato eccitato e l'applicazione di un'azione parametrica per facilitare il meccanismo di blocco all'arrivo del fotone.
• Dimostrazione End-to-End: Nella configurazione "pitch-and-detect", lo sTED ha emesso un singolo stato di Fock a microonde che è stato successivamente rivelato dall'mTED.
  • Il sistema ha rivelato il 60% dei fotoni nello stato di Fock emessi.
  • Sulla base della fedeltà di base misurata e tenendo conto delle perdite del cavo (stimate al 35%), gli autori deducono un'efficienza di rivelazione del 95% all'ingresso del TED di misura.
  • La durata totale del protocollo (reset + emissione/rivelazione) è stata di circa 4 $\mu$s.
  • È stato riscontrato che la probabilità di rivelazione è largamente indipendente dal tempo di arrivo del fotone all'interno della finestra di rivelazione di 10 $\mu$s.
• Conteggi Spuri (Dark Counts): Il sistema ha mostrato un tasso di conteggi spuri dell'8% (ridotto al 16% con una finestra più lunga di 10 $\mu$s), coerente con il rilassamento $T_1$ del qubit dati.

Significato
Il documento afferma che l'architettura TED rappresenta un nuovo caso d'uso per il Double Transmon Coupler (DTC), offrendo un collegamento compatto, plug-and-play, sintonizzabile e selettivo per transizione tra un transmon dati coerente e una guida d'onda. Gli autori affermano che circuiti come il TED giocheranno un ruolo vitale nell'elaborazione dell'informazione quantistica:

• Facilitando un reset incondizionato rapido.
• Abilitando la metrologia dei fotoni a microonde.
• Servendo come Interfacce di Comunicazione Quantistica (QCI) nascenti.

Queste QCI sono descritte come mediatori per la distribuzione dell'entanglement tra QPU all'interno di un criostato o come interfacce per trasduttori da microonde a ottico per reti quantistiche a lungo raggio. Il lavoro sottolinea che la capacità del TED di disaccoppiare la frequenza del qubit dati dalla frequenza dell'interfaccia della guida d'onda è un vantaggio critico per l'interoperabilità nelle reti quantistiche scalabili.