Engineering multi-photon dissipation with a dc-voltage-biased Josephson junction
本論文は、直流電圧バイアスを印加したSQUIDが、寄生的な非線形性を抑制しつつ、マルチフォトンの散逸（1個、2個、または4個の光子を単一の損失性の高い光子へと変換すること）をエンジニアリングできることを示しており、キャット量子ビットの安定化およびリザーバーエンジニアリングへの実行可能な経路を提供するものである。
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量子コンピューティングという静かな世界において、マシンが現実の極限状態で動作する中、最大の敵はしばしば環境そのものです。これらのマシンにおける情報の基本単位である量子ビットは、非常に壊れやすいものです。外部世界からのわずかな接触でも、情報は失われてしまいます。このプロセスはデコヒーレンス（量子脱コヒーレンス）として知られています。何十年もの間、科学者たちはこれらのビットを完全に隔離しようと試み、ノイズを遮断するためのシールドを構築してきました。しかし、より最近では、直感に反する新しいアイデアが登場しました。それは、環境と戦うのではなく、環境を利用する方法です。量子システムとその周囲との相互作用を注意深く設計することで、研究者は避けられないエネルギーの損失をツールへと変えることができます。「量子リザーバー・エンジニアリング」と呼ばれるこの技術により、科学者はシステムを特定の安定した状態へと導くことができ、環境を効果的に利用してエラーを浄化し、情報を保護することができるのです。
課題は、新たな問題を引き起こすことなく、いかにしてこれを行うかを見出すことでした。量子コンピュータを構築するための主要なプラットフォームの一つである超伝導回路において、科学者たちは伝統的に、これらの保護状態を作り出すために、エネルギーの急速でリズムのあるパルスを用いる手法を使用してきました。この手法は効果的ではあるものの、乱雑です。望ましい効果を生み出すために使用されるパルスそのものが、システムの挙動に予測不可能な微小な変化をもたらすといった、望ましくない副作用も発生させてしまい、パルスが強くなるにつれてその影響は悪化します。これらの副作用がシステムの制御能力を制限し、パフォーマンスの天井となっています。問いは残されていました。これらの寄生的な副作用を完全に回避しながら、この散逸をよりクリーンに設計する方法はあるのだろうか、と。
フランスの研究チームと企業Alice & Bobは、現在、その解決策を実証しました。彼らは、通常の急速なパルスの代わりに、一定の電圧を用いてエネルギーの流れを制御する回路を構築しました。彼らのデバイスは、量子情報を記憶する役割を果たす高品質なストレージ・レゾネーター（貯蔵共振器）と、ドレイン（排出口）として機能するロス・レゾネーター（損失共振器）という2つの主要な部分で構成されています。これら2つは、量子エネルギーの制御可能なバルブのように振る舞うSQUID（超伝導量子干渉デバイス）と呼ばれる小さな電子部品によって接続されています。このSQUIDに直流電圧を印加することで、研究者たちは量子エネルギーが流れるための新しい経路を作り出しました。
このメカニズムは、超伝導体における、クーパー対として知られる電子のペアが接合部をトンネルする（透過する）という基本的な特性に基づいています。電圧が印加されると、これらのペアは正確な量のエネルギーを獲得または喪失します。研究者たちは、この電圧を調整することで、トンネルするペアが得るエネルギーが、メモリ・レゾネーターからの2つの光子（光の粒子）を1つのドレイン・レゾネーター内の光子へと変換するために必要なエネルギーと正確に一致するようにしました。このプロセスは非常に特異的です。エネルギーのバランスが電圧自体によって設定されているため、システムはパルスを用いた手法を悩ませるような、乱雑で望ましくない相互作用を自然にフィルタリングします。研究者たちは、このセットアップが一度に2つの光子を取り除くことができるだけでなく、1つ、4つ、あるいはそれ以上の光子を一度に除去するように調整することも可能であり、その際、望ましくない副作用を実質的にゼロに抑えられることを示しました。
この手法が機能することを証明するために、チームは平均4つの光子を含む特定の量子状態をメモリ・レゾネーターに充填しました。そして、電圧バイアスをオンにし、何が起こるかを観察しました。標準的なシステムでは、光子はゆっくりとランダムに漏れ出していきます。しかし、彼らが設計したシステムでは、光子はペアで急速に消失しました。約50ナノ秒以内に、複雑な状態は、0または1の光子を含む単純な状態へと崩壊しました。この迅速かつ標的を絞ったエネルギーペアの除去こそが、「キャット・量子ビット」と呼ばれる特殊なタイプの量子ビットを安定させるために必要なものであり、この量子ビットは特定の種類のエラーに対して耐性を持つように設計されています。
研究者たちはまた、強力な相互作用に伴って通常発生する望ましくない副作用を、彼らのシステムがいかに回避しているかを測定しました。彼らは、メモリの自然周波数が安定しており、予測不能なシフトを起こしていないことを確認しました。これは、寄生項が実際にゼロへと平均化されている兆候です。また、彼らは、システムが4つのメモリ光子を1つのドレイン光子へと変換できることも確認しました。これは、従来のパルス手法では分離することが極めて困難な高次のプロセスです。配線やフィルタリングによる不完全性のために、依然としてわずかな損失は見られますが、チームはこれらを優れたエンジニアリングによって大幅に削減できると計算しています。
この研究は、より堅牢な量子コンピュータを構築するための明確な道筋を提供しています。複雑でノイズの多いパルスをシンプルな定常電圧に置き換えることで、研究者たちは、エラーを取り除くためのクリーンで効率的なチャネルを作ることが可能であることを示しました。複数の光子の消失を、通常の付随的な問題なしに設計できる能力は、量子情報を保護するための新しい方法を示唆しています。研究者たちは、フィルタリングを適度に改善すれば、このアプローチが次世代の量子ビットを安定させるための標準的なツールとなり、避けられない環境との相互作用を、エラーの源から制御のための強力なリソースへと変えることができると結論付けています。
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