Transmon Architecture for Emission and Detection of Single Microwave Photons

Resumo Técnico: Arquitetura Transmon para Emissão e Detecção de Fótons de Micro-ondas Únicos

Problema e Motivação
A escalabilidade de computadores quânticos e a realização de redes de sensores distribuídos exigem a capacidade de interconectar unidades de processamento quântico (QPUs) fisicamente separadas. Circuitos supercondutores, que interagem fortemente com guias de onda unidimensionais, são bem adequados para essa tarefa. No entanto, as arquiteturas existentes de Interface de Comunicação Quântica (QCI) enfrentam desafios relacionados à compactação, sintonizabilidade de frequência e à capacidade de fornecer isolamento suficiente para prevenir a descoerência da QPU, ao mesmo tempo que permitem emaranhamento seletivo. Especificamente, há necessidade de um dispositivo que possa funcionar tanto como fonte de fótons únicos quanto como detector, operar sob as restrições de frequência estritas das QPUs transmon padrão e interagir com chips heterogêneos ou transdutores de micro-ondas para óptica sem exigir correspondência rígida de frequência.

Metodologia
Os autores desenvolveram um circuito supercondutor compacto de Emissor/Detector Transmon (TED). A arquitetura TED utiliza um Acoplador Transmon Duplo (DTC) recentemente desenvolvido para interconectar um transmon de "dados" de longa vida útil ($Q_d$) com um transmon acoplado a guia de onda ($Q_w$). O DTC consiste em dois transmons ($Q_c$ e $Q_w$) ligados por uma junção Josephson indutiva, com $Q_c$ atuando como elemento de acoplamento entre $Q_d$ e $Q_w$.

• Projeto do Circuito: O transmon de dados $Q_d$ é acoplado capacitivamente ao transmon de acoplamento $Q_c$. O transmon de acoplamento $Q_c$ e o transmon de guia de onda $Q_w$ são acoplados indutivamente. Uma linha de fluxo externa modula o DTC, permitindo controle paramétrico da interação entre $Q_d$ e $Q_w$, mantendo $Q_c$ longe da ressonância.
• Princípio de Funcionamento: O TED opera modulando o fluxo do DTC na frequência de diferença entre $Q_d$ e $Q_w$. Isso cria uma interação de troca paramétrica que hibridiza os estados de $Q_d$ e $Q_w$.
  • Emissão: Para emitir um fóton, o sistema é inicializado e um acionamento paramétrico hibridiza $Q_d$ com $Q_w$, permitindo que a excitação decaia no guia de onda.
  • Detecção: Para detectar um fóton, o sistema é preparado em um estado excitado. Um fóton incidente desencadeia uma transição, e um acionamento paramétrico leva o sistema a um estado excitado superior, que então relaxa irreversivelmente para o estado fundamental, "travando" o detector.
• Montagem Experimental: Dois dispositivos TED (um TED fonte, sTED, e um TED de medição, mTED) com parâmetros nominalmente idênticos foram fabricados. Eles foram conectados por aproximadamente um metro de cabo coaxial, um acoplador direcional e um circulador. O circulador impôs um contínuo de modos, roteando fótons do sTED para o mTED, ao mesmo tempo que direcionava campos refletidos para a cadeia de medição.
• Modelagem Teórica: O sistema foi modelado usando o formalismo SLH (Espalhamento-Lindblad-Hamiltoniano) para descrever a rede de componentes localizados (TEDs e circulador) interagindo por meio de modos bosônicos itinerantes. Medições de espalhamento coerente reverso foram usadas para calibrar o sistema e extrair parâmetros como taxas de relaxação e ocupação térmica.

Principais Contribuições

1. Arquitetura de Dupla Funcionalidade: O artigo demonstra uma única arquitetura de circuito capaz de atuar tanto como fonte de fótons únicos quanto como detector de fótons únicos, destacando a flexibilidade do projeto baseado em DTC.
2. Sintonizabilidade de Frequência e Isolamento: O TED desacopla a frequência de ressonância do qubit de dados ($Q_d$) do transmon acoplado ao guia de onda ($Q_w$). $Q_w$ é sintonizável em várias centenas de MHz via polarização de fluxo, relaxando os rigorosos requisitos de correspondência de frequência para distribuição de emaranhamento entre dispositivos heterogêneos, enquanto $Q_d$ permanece estático e compatível com as restrições de frequência padrão das QPUs.
3. Esquema de Detecção Eficiente: Os autores introduziram e caracterizaram um esquema de detecção de fótons adaptado ao TED. Este esquema depende de um processo seletivo à transição, onde um fóton incidente desencadeia um acionamento paramétrico que trava o detector no estado fundamental.
4. Caracterização Abrangente: O trabalho inclui uma análise detalhada do espalhamento reflexivo coerente (retroespalhamento) para extrair parâmetros do sistema e um modelo teórico do sistema composto usando a teoria SLH.

Resultados

• Desempenho do Dispositivo: O mTED foi caracterizado via retroespalhamento coerente, resultando em uma frequência de ressonância de $\omega_{wm}/2\pi = 5,65811(1)$ GHz e uma taxa de relaxação $\gamma_m = 11,2(1) \times 10^6$ s$^{-1}$. A ocupação térmica do guia de onda foi medida em $n_{th} = 0,015(3)$.
• Operação da Fonte: O sTED emitiu com sucesso fótons em estados de Fock. O processo de emissão foi controlado por um acionamento paramétrico moldado, liberando o fóton no guia de onda com um perfil de frequência estreito. Os processos de redefinição e emissão exigiram aproximadamente 2 $\mu$s cada.
• Operação de Detecção: O mTED demonstrou detecção de alta eficiência. O protocolo envolveu preparar o mTED em um estado excitado e aplicar um acionamento paramétrico para facilitar o mecanismo de travamento na chegada do fóton.
• Demonstração de Ponta a Ponta: Na configuração "lança-e-detecta", o sTED emitiu um único estado de Fock de micro-ondas, que foi subsequentemente detectado pelo mTED.
  • O sistema detectou 60% dos fótons em estados de Fock emitidos.
  • Com base na fidelidade de linha de base medida e considerando as perdas no cabo (estimadas em 35%), os autores inferem uma eficiência de detecção de 95% na entrada do TED de medição.
  • A duração total do protocolo (redefinição + emissão/detecção) foi de aproximadamente 4 $\mu$s.
  • A probabilidade de detecção mostrou-se amplamente independente do tempo de chegada do fóton dentro da janela de detecção de 10 $\mu$s.
• Contagens Escuras: O sistema exibiu uma taxa de contagens escuras de 8% (reduzida para 16% com uma janela mais longa de 10 $\mu$s), consistente com a relaxação $T_1$ do qubit de dados.

Significado
O artigo afirma que a arquitetura TED representa um novo caso de uso para o Acoplador Transmon Duplo (DTC), oferecendo um elo compacto, plug-and-play, sintonizável e seletivo à transição entre um transmon de dados coerente e um guia de onda. Os autores afirmam que circuitos como o TED desempenharão um papel vital no processamento de informação quântica ao:

• Facilitar a redefinição rápida incondicional.
• Permitir a metrologia de fótons de micro-ondas.
• Servir como Interfaces de Comunicação Quântica (QCIs) nascentes.

Essas QCIs são descritas como mediadoras para distribuição de emaranhamento entre QPUs dentro de um criostato ou como interfaces para transdutores de micro-ondas para óptica em redes quânticas de longo alcance. O trabalho enfatiza que a capacidade do TED de desacoplar a frequência do qubit de dados da frequência da interface do guia de onda é uma vantagem crítica para a interoperabilidade em redes quânticas escaláveis.