超导量子比特的空间波 Purcell 效应

量子信息处理，尤其是带有量子纠错的处理，需要长寿命的量子比特以及快速的量子非破坏读取。在超导电路中，这要求将量子比特（如 transmon）与读取模式强耦合，同时保护其免受通过读取端口产生的相关 Purcell 衰减。所谓的 Purcell 滤波器可以提供这种保护，但代价是电路元件和复杂性的显著增加。然而，正如我们在本工作中所展示的，在空间中可视化量子比特场揭示了量子比特场强而腔场弱的位置；简单地将端口放置在这些位置即可提供内在的 Purcell 保护。对于“管内芯片”几何结构中的 $\lambda/2$ 读取模式，我们展示了毫秒级的 Purcell 保护，反之，仅通过重新定位读取端口即可实现极大增强的 Purcell 衰减（量子比特寿命为 1~$\mu$s）。这种将 Purcell 保护集成到量子比特-腔几何结构中的方法可以推广到其他 3D 实现（如柱腔）以及平面几何结构。对于低于读取模式的量子比特频率，此效应与多模 Purcell 效应截然不同，我们在 3D 柱几何结构中演示了这一点，其中我们展示了在保护量子比特的同时降低高次腔谐波的品质因数，以防止由于这些模式中的杂散光子引起的退相干。