CN111382873A - 一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法和装置，所述方法包括以下步骤：S1：<50mK的制冷平台的第一超导量子比特与两端分别热锚定在<50mK的制冷平台和1K或4K制冷平台的超导传输线腔耦合；S2：超导传输线腔与在1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔耦合；S3：1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔与里德堡原子耦合；S4：利用第二超导量子比特抽取超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔组成的耦合腔系统中的热光子数。本发明实现了不同制冷平台的超导量子比特到里德堡原子的量子态转移，且突破了耦合腔系统中热光子对量子态转移的影响，实现了超导量子比特到里德堡原子高保真度的量子态转移。

Description

一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法及装置
技术领域
本发明涉及量子网络技术领域，尤其是涉及一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法及装置。
背景技术
超导电路和里德堡原子都可以用作量子比特，超导电路作为量子比特有操作速度快、可扩展性强等优点；里德堡原子作为量子比特有相干时间长等优点。超导量子比特和里德堡原子之间的量子态转移作为原子量子存储器的关键技术之一，在量子通信、量子网络等方面有广阔应用。
传统超导量子比特和里德堡原子之间量子态转移在稀释制冷机中的几十mK(毫开尔文)的制冷平台中进行。在屏蔽制冷机的光学窗口的时候，制冷平台的温度可以达到14mK，打开光学窗口时，制冷平台的温度升到70mK。受制备冷原子所需要的光学窗口和将冷原子激发到里德堡态所需要的高功率的激光影响，mK的制冷平台很难维持在它最低的温度，从而影响了超导量子比特的相干性；更进一步，将冷原子激发到里德堡态所需要的高功率激光的散射光会破坏库珀对导致准粒子增多，从而限制超导量子比特的相干时间。此外，制备冷原子所需要的非均匀梯度磁场引入额外的磁场噪声也会对超导量子比特的相干性产生不利影响。
2017年，科学家提出了一种通过热微波网络实现短距离量子通信的方法。该方法主要是使用冷却至4K的微波传输线实现两个20mK超导量子比特之间高保真度的量子态转移，这为构建强大的微波量子网络提供了新的可能性。
2018年，科学家通过利用在4K(开尔文)制冷平台的热超导平面波导腔同时与两个里德堡原子比特耦合，当热超导平面波导腔与两团原子的耦合强度相等时，可以实现高保真度的量子态转移。同时他们用一团额外的里德堡原子抽取热耦合腔中的热光子以提高热耦合腔与两团原子的耦合强度不等时的低转移效率，实现了两个里德堡原子比特之间高保真度的量子态转移，同时也展示了里德堡原子在4K制冷平台有更多的可操作性。
考虑到只是里德堡原子比特之间或超导量子比特之间高保真度的量子态转移满足不了实际应用的要求，确实有必要提出一种技术手段，以进一步优化超导量子比特和里德堡原子之间的量子态转移，一方面不会对<50mK的制冷平台引入额外的热噪声和磁场噪声，另一方面可以用激光制备和操控里德堡原子，同时还可以实现超导量子比特和里德堡原子之间高保真度的量子态转移。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法及装置，以利用在1K或4K制冷平台制备和操控里德堡原子不会对<50mK制冷平台的超导量子比特引入额外的噪声，通过热耦合腔可以对两个量子比特进行量子态转移等特点，实现高保真度量子态转移的目的。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法，包括如下步骤：
步骤S1：<50mK的制冷平台的第一超导量子比特与两端分别热锚定在<50mK的制冷平台和1K或4K制冷平台的超导传输线腔耦合；
步骤S2：超导传输线腔与在1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔耦合；
步骤S3：1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔与里德堡原子耦合；
步骤S4：利用第二超导量子比特抽取超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔组成的耦合腔系统中的热光子数，实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度量子态转移。
进一步地，在步骤S1至步骤S3中，利用超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔组成的耦合腔系统可实现超导量子比特到里德堡原子的量子态转移。
进一步地，在步骤S1至步骤S3中，当第一超导量子比特与超导传输线腔的耦合强度和里德堡原子与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的耦合强度相等时，可以实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度的量子态转移。
进一步地，在步骤S4中，所述第二超导量子比特对热光子的抽取速率的计算公式如下：
Figure BDA0002389635250000031
其中，NC为抽取热光子的第二超导量子比特的数量，gc为第一超导量子比特和超导传输线腔的耦合强度，Γf为超导量子比特从激发态到基态的退相率。
进一步地，所述超导量子比特在初始时刻处于激发态，所述里德堡原子在初始时刻处于基态，在t时刻量子态转移的成功概率的计算公式为：
Figure BDA0002389635250000032
其中，Pn和Pm分别为超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的热平衡时的光子数概率分布，Γ为超导量子比特和里德堡原子的自发辐射率，G为超导量子比特与里德堡原子间的有效耦合强度，
Figure BDA0002389635250000033
为广义有效拉比频率。
另一方面，本发明还提供一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置，包括：
稀释制冷机、第一超导量子比特、第二超导量子比特、超导传输线腔、超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔、里德堡原子；
所述稀释制冷机包括<50mK的制冷平台和1K或4K的制冷平台；
所述第一超导量子比特用于制备二能级的量子叠加态；
所述第二超导量子比特用于抽取耦合腔系统中的热光子；
所述超导传输线腔一端热锚定在<50mK制冷平台且分别与第一超导量子比特、第二超导量子比特耦合，另一端热锚定在1K或4K制冷平台且与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔耦合；
所述超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔热锚定在1K或4K制冷平台且分别与超导传输线腔和里德堡原子耦合。
进一步地，所述<50mK的制冷平台用于给超导量子比特制冷以维持其量子态，在所述1K或4K制冷平台上安装有光学窗口以制备和操控里德堡原子。
进一步地，所述第一超导量子比特为一个相干时间长的transmon超导量子比特。
进一步地，所述第二超导量子比特为一个或多个相干时间短的超导量子比特。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果至少包括：
1、本发明不需要在<50mK的制冷平台安装制备里德堡原子的光学窗口，而是在1K(或4K)制冷平台制备里德堡原子，增强了热锚定在<50mK的制冷平台的超导量子比特的相干性。
2、本发明利用两端分别热锚定在<50mK和1K(或4K)制冷平台的耦合腔系统可同时耦合超导量子比特和里德堡原子，实现了不同制冷平台的超导量子比特到里德堡原子的量子态转移。
3、本发明不仅降低原子所需激光场和磁场对超导量子比特相干性的影响，而且使用额外的超导量子比特抽取热耦合腔中的热光子，突破了耦合腔系统中热光子对量子态转移的影响，提高了保真度，实现了超导量子比特到里德堡原子高保真度的量子态转移。
4、在本发明中，当第一超导量子比特与超导传输线腔的耦合强度和里德堡原子与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的耦合强度相等时，可以实现高保真度的量子态转移；耦合强度不等时，通过第二超导量子比特抽取耦合腔系统中的热光子数，也可以实现高保真度的量子态转移，因此不管耦合强度是否相等都可以实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度的量子态转移，进而为量子网络研究提供新技术基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置的系统架构图；
图2为第二超导量子比特抽取耦合腔系统热光子的能级结构示意图；
图3为本发明一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法的流程示意图。
附图标记说明：
1、释制冷机的<50mK的制冷平台；2、稀释制冷机的1K(或4K)制冷平台；3、第一超导量子比特；4、第二超导量子比特；5、超导传输线腔；6、超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔；7、里德堡原子；8、光学窗口；
9、超导量子比特处于基态；10、超导量子比特处于激发态；11、对耦合腔系统中一个热光子的吸收过程；12、超导量子比特自发辐射的过程；13、量子比特重新回到基态。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
图3为本发明一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法的流程示意图，如图3所示，本发明提供了一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法，包括如下步骤：
步骤S1：<50mK的制冷平台的第一超导量子比特与两端分别热锚定在<50mK的制冷平台和1K或4K制冷平台的超导传输线腔耦合；
步骤S2：超导传输线腔与在1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔耦合；
步骤S3：1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔与里德堡原子耦合；
步骤S4：利用第二超导量子比特抽取超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔组成的耦合腔系统中的热光子数，实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度量子态转移。
进一步地，在步骤S1至步骤S3中，利用超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔组成的耦合腔系统可实现超导量子比特到里德堡原子的量子态转移。
进一步地，在步骤S1至步骤S3中，当第一超导量子比特与超导传输线腔的耦合强度和里德堡原子与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的耦合强度相等时，可以实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度的量子态转移。
图2为第二超导量子比特4抽取耦合腔系统的热光子的能级结构示意图，如图2所示，当第一超导量子比特与超导传输线腔的耦合强度和里德堡原子与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的耦合强度不相等时，可以通过第二超导量子比特抽取耦合腔系统中的热光子数，以实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度的量子态转移。图中，9为超导量子比特处于基态，耦合腔中光子数为n的态|g,n>；10为超导量子比特处于激发态，耦合腔中光子数为n-1的态|e,n-1>，11为对耦合腔系统中一个热光子的吸收过程，对热光子的吸收使超导量子比特吸收耦合腔系统中的一个热光子，从态|g,n>激发到态|e,n-1>；12是超导量子比特自发辐射的过程，这个过程使量子比特重新回到了基态，而耦合腔光子数减少了一个的态13|g,n-1＞。这样，一个超导量子比特会吸收一个耦合腔热光子，我们可以利用一个或多个超导量子比特并可循环抽取，最终可使得耦合腔中热光子数接近于0。整个过程吸取了耦合腔中的一个光子，不断地重复这个过程可以抽取耦合腔中的热光子从而达到光子数为0的空腔。
进一步地，在步骤S4中，所述第二超导量子比特对热光子的抽取速率的计算公式如下：
Figure BDA0002389635250000071
其中，NC为抽取热光子的第二超导量子比特的数量，gc为第一超导量子比特和超导传输线腔的耦合强度，Γf为超导量子比特从激发态到基态的退相率。
进一步地，所述超导量子比特在初始时刻处于激发态，所述里德堡原子在初始时刻处于基态，在t时刻量子态转移的成功概率的计算公式为：
Figure BDA0002389635250000072
其中，Pn和Pm分别为超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的热平衡时的光子数概率分布，Γ为超导量子比特和里德堡原子的自发辐射率，G为超导量子比特与里德堡原子间的有效耦合强度，
Figure BDA0002389635250000073
为广义有效拉比频率。
综上，本发明一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法是利用两端分别热锚定在<50mK和1K(或4K)制冷平台的耦合腔系统可同时耦合超导量子比特和里德堡原子，实现在不同制冷平台的超导量子比特和里德堡原子之间的量子态转移。主要思想是通过与耦合腔系统的耦合实现量子态转移，将一个超导传输线腔两端分别热锚定在不同制冷平台和用额外的超导量子比特抽取耦合腔系统中的热光子数提高量子态转移的保真度。本发明不仅降低原子所需激光场和磁场对超导量子比特相干性的影响，而且使用额外的超导量子比特抽取耦合腔系统中的热光子，进而为超导量子比特和里德堡原子之间高保真度的量子态转移提供了新技术。
实施例2
图1为本发明一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置的系统架构图，如图1所示，本发明还提供一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置，包括：
稀释制冷机、第一超导量子比特3、第二超导量子比特4、超导传输线腔5、超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔6、里德堡原子7；
所述稀释制冷机包括<50mK的制冷平台1和1K或4K的制冷平台2；
所述第一超导量子比特3用于制备二能级的量子叠加态；
所述第二超导量子比特4用于抽取耦合腔系统中的热光子；
所述超导传输线腔5一端热锚定在<50mK制冷平台1且分别与第一超导量子比特3、第二超导量子比特4耦合，另一端热锚定在1K或4K制冷平台2且与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔6耦合；
所述超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔6热锚定在1K或4K制冷平台2且分别与超导传输线腔5和里德堡原子7耦合。
进一步地，所述<50mK的制冷平台1用于给超导量子比特制冷以维持其量子态，在所述1K或4K制冷平台2上安装有光学窗口8以制备和操控里德堡原子7。
进一步地，所述第一超导量子比特3为一个相干时间长的transmon超导量子比特。
进一步地，所述第二超导量子比特4为一个或多个相干时间短的超导量子比特。
本发明一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置的基本工作原理是：首先超导传输线腔5两端分别热锚定在稀释制冷机的<50mK的制冷平台1和稀释制冷机的1K(或4K)制冷平台2，再利用第一超导量子比特3与超导传输线腔5，超导传输线腔5与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔6，超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔6与里德堡原子7之间的耦合实现不同制冷平台的量子态的转移；当第一超导量子比特与超导传输线腔的耦合强度和里德堡原子与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的耦合强度相等时，可以实现高保真度的量子态转移。耦合强度不等时，再利用第二超导量子比特4去抽取超导传输线腔5中的热光子数，提高量子态转移的保真度，从而实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度量子态转移。因此不管耦合强度是否相等都可以实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度的量子态转移。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：<50mK的制冷平台的第一超导量子比特与两端分别热锚定在<50mK的制冷平台和1K或4K制冷平台的超导传输线腔耦合；
步骤S2：超导传输线腔与在1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔耦合；
步骤S3：1K或4K制冷平台的超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔与里德堡原子耦合；
步骤S4：利用第二超导量子比特抽取超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔组成的耦合腔系统中的热光子数，实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度量子态转移。
2.根据权利要求1所述的超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法，其特征在于，在步骤S1至步骤S3中，利用超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔组成的耦合腔系统可实现超导量子比特到里德堡原子的量子态转移。
3.根据权利要求2所述的超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法，其特征在于，在步骤S1至步骤S3中，当第一超导量子比特与超导传输线腔的耦合强度和里德堡原子与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的耦合强度相等时，可以实现超导量子比特到里德堡原子的高保真度的量子态转移。
4.根据权利要求1所述的超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述第二超导量子比特对热光子的抽取速率的计算公式如下：
Figure FDA0002389635240000011
其中，NC为抽取热光子的第二超导量子比特的数量，gc为第一超导量子比特和超导传输线腔的耦合强度，Γf为超导量子比特从激发态到基态的退相率。
5.根据权利要求1所述的超导量子比特和里德堡原子量子态转移的方法，其特征在于，所述超导量子比特在初始时刻处于激发态，所述里德堡原子在初始时刻处于基态，在t时刻量子态转移的成功概率的计算公式为：
Figure FDA0002389635240000021
其中，Pn和Pm分别为超导传输线腔和超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔的热平衡时的光子数概率分布，Γ为超导量子比特和里德堡原子的自发辐射率，G为超导量子比特与里德堡原子间的有效耦合强度，
Figure FDA0002389635240000022
为广义有效拉比频率。
6.一种超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置，其特征在于，包括：
稀释制冷机、第一超导量子比特、第二超导量子比特、超导传输线腔、超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔、里德堡原子；
所述稀释制冷机包括<50mK的制冷平台和1K或4K的制冷平台；
所述第一超导量子比特用于制备二能级的量子叠加态；
所述第二超导量子比特用于抽取耦合腔系统中的热光子；
所述超导传输线腔一端热锚定在<50mK制冷平台且分别与第一超导量子比特、第二超导量子比特耦合，另一端热锚定在1K或4K制冷平台且与超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔耦合；
所述超导平面波导腔或超导平面LC谐振腔热锚定在1K或4K制冷平台且分别与超导传输线腔和里德堡原子耦合。
7.根据权利要求6所述的超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置，其特征在于，所述<50mK的制冷平台用于给超导量子比特制冷以维持其量子态，在所述1K或4K制冷平台上安装有光学窗口以制备和操控里德堡原子。
8.根据权利要求6所述的超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置，其特征在于，所述第一超导量子比特为一个相干时间长的transmon超导量子比特。
9.根据权利要求6所述的超导量子比特和里德堡原子量子态转移的装置，其特征在于，所述第二超导量子比特为一个或多个相干时间短的超导量子比特。
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