三光子克尔参量振荡器作为受保护玻色子三能级量子比特的相空间实现与表征

《Nature Communications》：Realisation of a protected cat-qutrit manifold via engineered quantum tunnelling

　　

摘要

在相空间中实现工程化的量子隧穿已成为一种可行的方法，用于创建具有偏置噪声特性的受保护逻辑量子比特流形。一种有前景的方案是将克尔非线性与多光子驱动相结合，从而形成一种称为克尔参量振荡器（KPO）的系统。在本工作中，我们实现了一个三光子KPO，并探索其作为受保护玻色子三能级量子比特（qutrit）的潜力。我们通过展示三光子拉比振荡并直接进行Wigner函数测量来验证量子相干性，后者揭示了三分量类猫态的形成。关键的是，我们观察到相空间中类似呼吸的动态行为，这是受驱动量子系统的典型特征。该动态源于猫三能级流形与激发态之间宏观的时间干涉。由此产生的平均光子数振荡频率提供了直接测量将三能级量子比特与激发态分隔开的能量间隙的时间域方法，从而确立了三能级量子比特流形受保护性的实验标志。此外，我们确定寄生的高阶泵浦项是限制平均光子数的主要机制，凸显了对其进行缓解是最大化保护的必要条件。我们的研究结果阐明了三光子KPO的基本量子特性，并建立了将其作为替代三能级量子比特平台的第一步。