Transmon Architecture for Emission and Detection of Single Microwave Photons

作者提出了一种紧凑的横流发射器/探测器（TED）架构，该架构兼具单光子源和探测器的双重功能，具有 95% 的推断效率和 4 微秒的快速操作速度，为量子通信、计量学和快速量子比特复位建立了通用接口。

要点

想象一下，你正在尝试构建一个量子互联网，其中不同的超级计算机（量子处理单元，或称 QPU）需要彼此通信。问题在于，这些计算机极其脆弱；如果你试图直接将它们连接起来，连接处产生的噪声可能会破坏它们精密的计算。

本文介绍了一种名为TED（Transmon 发射器/探测器）的新型“翻译”设备。你可以将 TED 想象成一种特制的高科技对讲机，它既能发送也能接收单个微波能量包（光子），同时防止噪声倒灌回主计算机。

以下是其工作原理，分解为简单的概念：

1. 架构：三人团队

在 TED 内部，并非只有一个组件，而是有三个不同的“角色”协同工作，它们均由超导电路构成：

• 数据保管员（Qd）： 这是量子计算机的主内存。它存储信息，需要保持安静且处于隔离状态。
• 桥梁（Qc）： 这是一个中间人，负责将数据保管员与外部世界连接起来。
• 信使（Qw）： 这个角色站在门口，随时准备向“波导”（传输信号的电缆）大喊消息，或监听 incoming 的消息。

魔法技巧： 数据保管员和信使并非直接相连。它们仅通过桥梁相互连接。通过调节桥梁上的磁旋钮（磁通量），TED 可以仅在需要时让数据保管员和信使彼此对话。这使得数据保管员在 99% 的时间里都能免受外部嘈杂世界的干扰。

2. “投掷与接住”游戏

研究人员建造了两个这样的 TED 设备，以证明它们有效。

• 发送器（sTED）： 该设备从其数据保管员中取出单个能量包（光子），并将其“投掷”进一根长约一米的同轴电缆中。
• 接收器（mTED）： 该设备位于电缆的另一端。它等待、监听，如果光子到达，它就将其“接住”。

为了确保光子不会反弹回来造成麻烦，他们使用了一个环形器。你可以将环形器想象成一条单行道或环岛，它强制交通只能单向行驶：从发送器到接收器，然后直接流向测量工具，绝不再返回发送器。

3. 如何发送与接住

• 发送（发射）： 发送器准备单个光子。随后，它利用精确的“推动”（参数驱动）将该光子从其内部内存转移到信使，信使随即将其释放到电缆中。整个过程耗时约2 微秒（两百万分之一秒）。
• 接住（探测）： 接收器处于特定的等待状态。当光子到达时，它会触发连锁反应。接收器吸收光子并永久改变其状态（它“锁定”）。这种变化很容易被检测到，从而告知计算机：“嘿，有消息到了！”这也耗时约2 微秒。

4. 结果：效果如何？

团队测试了该系统，发现：

• 效率： 当发送一个光子时，接收器成功接住它的概率约为60%。
• 实际性能： 在扣除电缆和环形器中的损耗后，他们计算出接收器本身的效率实际上高达95%。这意味着，如果光子实际到达接收器的门口，它几乎肯定会被接住。
• 速度： 重置设备、发送光子并接住光子的整个周期耗时约4 微秒。对于量子操作而言，这速度快得惊人。

5. 为什么这很重要？

该论文声称，这种架构解决了量子网络中的一个主要难题：

• 可调谐性： 与旧设计不同（旧设计要求发送器和接收器必须调谐到完全相同的频率，就像两台收音机需要调至完全相同的频道），TED 是可以调谐的。“信使”可以改变其频率以匹配不同的伙伴，这使得连接不同类型的量子计算机变得容易得多。
• 安全性： 它允许主量子计算机保持隔离和安全，同时仍能对外通信。
• 双重用途： 同一设备既可以作为发送器，也可以作为接收器，使其成为构建量子网络的灵活“即插即用”工具。

简而言之，TED 是一个紧凑、快速且安全的接口，允许量子计算机交换单个信息包，为将量子处理器连接成更大的网络铺平了道路。

技术摘要

技术摘要：用于单微波光子发射与探测的 Transmon 架构

问题与动机
扩展量子计算机规模并实现分布式传感器网络，需要能够连接物理上分离的量子处理单元（QPU）。超导电路与一维波导具有强相互作用，非常适合此项任务。然而，现有的量子通信接口（QCI）架构在紧凑性、频率可调性以及提供足够隔离以防止 QPU 退相干同时实现选择性纠缠的能力方面面临挑战。具体而言，需要一种既能作为单光子源又能作为探测器的器件，能够在标准 Transmon QPU 的严格频率约束下运行，并能与异构芯片或微波 - 光转换器接口，而无需严格的频率匹配。

方法
作者开发了一种紧凑的 Transmon 发射器/探测器（TED）超导电路。TED 架构利用最近开发的双 Transmon 耦合器（DTC），将长寿命的“数据”Transmon（$Q_d$）与波导耦合的 Transmon（$Q_w$）进行接口。DTC 由两个通过感应式约瑟夫森结连接的 Transmon（$Q_c$ 和 $Q_w$）组成，其中 $Q_c$ 充当 $Q_d$ 与 $Q_w$ 之间的耦合元件。

• 电路设计：数据 Transmon $Q_d$ 与耦合 Transmon $Q_c$ 电容耦合。耦合 Transmon $Q_c$ 与波导 Transmon $Q_w$ 感应耦合。外部磁通线对 DTC 进行调制，允许对 $Q_d$ 和 $Q_w$ 之间的相互作用进行参数控制，同时保持 $Q_c$ 远离共振。
• 工作原理：TED 通过以 $Q_d$ 和 $Q_w$ 之间的差频调制 DTC 磁通来运行。这产生了一种参数交换相互作用，使 $Q_d$ 和 $Q_w$ 的状态发生混合。
  • 发射：为了发射光子，系统被初始化，参数驱动使 $Q_d$ 与 $Q_w$ 混合，允许激发态衰变进入波导。
  • 探测：为了探测光子，系统被制备在激发态。入射光子触发跃迁，参数驱动将系统推向更高的激发态，随后不可逆地弛豫到基态，从而将探测器“锁定”。
• 实验设置：制造了两个具有标称相同参数的 TED 器件（源 TED，sTED，和测量 TED，mTED）。它们通过约一米的同轴电缆、一个定向耦合器和一个环形器连接。环形器强制形成连续模式，将光子从 sTED 路由到 mTED，同时将反射场导向测量链。
• 理论建模：使用 SLH（散射 - 林德布拉德 - 哈密顿量）形式对系统进行建模，以描述通过行波玻色模式相互作用的局部组件网络（TED 和环形器）。相干背散射测量用于校准系统并提取弛豫速率和热占据数等参数。

主要贡献

1. 双功能架构：本文展示了一种单一电路架构，能够同时作为单光子源和单光子探测器，突显了基于 DTC 设计的灵活性。
2. 频率可调性与隔离：TED 将数据量子比特（$Q_d$）的共振频率与波导耦合的 Transmon（$Q_w$）解耦。$Q_w$ 可通过磁通偏置在数百 MHz 范围内调谐，放宽了异构器件间纠缠分布所需的严格频率匹配要求，而 $Q_d$ 保持静态并兼容标准 QPU 的频率约束。
3. 高效探测方案：作者引入并表征了一种专为 TED 定制的光子探测方案。该方案依赖于跃迁选择过程，其中入射光子触发参数驱动，将探测器锁定到基态。
4. 全面表征：工作包括对相干反射散射（背散射）的详细分析以提取系统参数，以及使用 SLH 理论对复合系统进行的理论建模。

结果

• 器件性能：通过相干背散射对 mTED 进行了表征，得出共振频率为 $\omega_{wm}/2\pi = 5.65811(1)$ GHz，弛豫速率为 $\gamma_m = 11.2(1) \times 10^6$ s$^{-1}$。测得波导的热占据数为 $n_{th} = 0.015(3)$。
• 源运行：sTED 成功发射了福克态（Fock state）光子。发射过程由整形的参数驱动控制，将光子以窄频率轮廓释放到波导中。复位和发射过程各需约 2 $\mu$s。
• 探测运行：mTED 展示了高效率探测。该协议涉及将 mTED 制备在激发态，并施加参数驱动以在光子到达时促进锁定机制。
• 端到端演示：在“发射 - 探测”（pitch-and-detect）配置中，sTED 发射单个微波福克态光子，随后被 mTED 探测到。
  • 系统探测到了 60% 的发射福克态光子。
  • 基于测得的基线保真度并考虑电缆损耗（估计为 35%），作者推断在测量 TED 输入端的探测效率为 95%。
  • 总协议持续时间（复位 + 发射/探测）约为 4 $\mu$s。
  • 探测概率被发现主要独立于光子在 10 $\mu$s 探测窗口内的到达时间。
• 暗计数：系统表现出 8% 的暗计数率（在更长的 10 $\mu$s 窗口下为 16%），这与数据量子比特的 $T_1$ 弛豫一致。

意义
本文声称，TED 架构代表了双 Transmon 耦合器（DTC）的一个新用例，提供了一种紧凑、即插即用、可调谐且跃迁选择性的链路，连接相干数据 Transmon 与波导。作者断言，像 TED 这样的电路将在量子信息处理中发挥关键作用，具体包括：

• 促进无条件快速复位。
• 实现微波光子计量学。
• 作为新兴的量子通信接口（QCI）。

这些 QCI 被描述为低温恒温器内 QPU 之间纠缠分布的中介，或用于长距离量子网络的微波 - 光转换器的接口。这项工作强调，TED 将数据量子比特频率与波导接口频率解耦的能力，对于可扩展量子网络中的互操作性是一个关键优势。