Superconducting 3D microwave cavities offer state-of-the-art coherence times and a well-controlled environment for superconducting qubits. In order to realize at the same time fast readout and long-lived quantum information storage, one can couple the qubit to both a low-quality readout and a high-quality storage cavity. However, such systems are bulky compared to their less coherent 2D counterparts. A more compact and scalable approach is achieved by making use of the multimode structure of a 3D cavity. In our work, we investigate such a device where a transmon qubit is capacitively coupled to two modes of a single 3D cavity. External coupling is engineered so that the memory mode has an about 100 times larger quality factor than the readout mode. Using an all-microwave second-order protocol, we realize a lifetime enhancement of the stored state over the qubit lifetime by a factor of 6 with a fidelity of approximately 80% determined via quantum process tomography. We also find that this enhancement is not limited by fundamental constraints.

1.
C. H.
Bennett
and
D. P.
DiVincenzo
,
Nature
404
,
247
(
2000
).
2.
L. M.
Vandersypen
,
M.
Steffen
,
G.
Breyta
,
C. S.
Yannoni
,
M. H.
Sherwood
, and
I. L.
Chuang
,
Nature
414
,
883
(
2001
).
3.
A.
Furusawa
,
J. L.
Sørensen
,
S. L.
Braunstein
,
C. A.
Fuchs
,
H. J.
Kimble
, and
E. S.
Polzik
,
Science
282
,
706
(
1998
).
4.
R.
Di Candia
,
K.
Fedorov
,
L.
Zhong
,
S.
Felicetti
,
E.
Menzel
,
M.
Sanz
,
F.
Deppe
,
A.
Marx
,
R.
Gross
, and
E.
Solano
,
EPJ Quantum Technol.
2
,
25
(
2015
).
5.
6.
J. M.
Raimond
,
M.
Brune
, and
S.
Haroche
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
565
(
2001
).
7.
H.
Paik
,
D. I.
Schuster
,
L. S.
Bishop
,
G.
Kirchmair
,
G.
Catelani
,
A. P.
Sears
,
B. R.
Johnson
,
M. J.
Reagor
,
L.
Frunzio
,
L. I.
Glazman
,
S. M.
Girvin
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
240501
(
2011
).
8.
A.
Blais
,
R.-S.
Huang
,
A.
Wallraff
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
69
,
062320
(
2004
).
9.
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
A.
Blais
,
L.
Frunzio
,
R.-S.
Huang
,
J.
Majer
,
S.
Kumar
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
431
,
162
(
2004
).
10.
M.
Reagor
,
W.
Pfaff
,
C.
Axline
,
R. W.
Heeres
,
N.
Ofek
,
K.
Sliwa
,
E.
Holland
,
C.
Wang
,
J.
Blumoff
,
K.
Chou
,
M. J.
Hatridge
,
L.
Frunzio
,
M. H.
Devoret
,
L.
Jiang
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. B
94
,
014506
(
2016
).
11.
C.
Rigetti
,
J. M.
Gambetta
,
S.
Poletto
,
B. L. T.
Plourde
,
J. M.
Chow
,
A. D.
Córcoles
,
J. A.
Smolin
,
S. T.
Merkel
,
J. R.
Rozen
,
G. A.
Keefe
,
M. B.
Rothwell
,
M. B.
Ketchen
, and
M.
Steffen
,
Phys. Rev. B
86
,
100506
(
2012
).
12.
M.
Neeley
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Hofheinz
,
N.
Katz
,
E.
Lucero
,
A.
O'Connell
,
H.
Wang
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Nat. Phys.
4
,
523
(
2008
).
13.
Y.
Kubo
,
C.
Grezes
,
A.
Dewes
,
T.
Umeda
,
J.
Isoya
,
H.
Sumiya
,
N.
Morishita
,
H.
Abe
,
S.
Onoda
,
T.
Ohshima
,
V.
Jacques
,
A.
Dréau
,
J.-F.
Roch
,
I.
Diniz
,
A.
Auffeves
,
D.
Vion
,
D.
Esteve
, and
P.
Bertet
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
220501
(
2011
).
14.
X.
Zhu
,
S.
Saito
,
A.
Kemp
,
K.
Kakuyanagi
,
S.-I.
Karimoto
,
H.
Nakano
,
W. J.
Munro
,
Y.
Tokura
,
M. S.
Everitt
,
K.
Nemoto
,
M.
Kasu
,
N.
Mizuochi
, and
K.
Semba
,
Nature
478
,
221
(
2011
).
15.
A. P.
Reed
,
K. H.
Mayer
,
J. D.
Teufel
,
L. D.
Burkhart
,
W.
Pfaff
,
M.
Reagor
,
L.
Sletten
,
X.
Ma
,
R. J.
Schoelkopf
,
E.
Knill
, and
K. W.
Lehnert
,
Nat. Phys.
13
,
1163
(
2017
).
16.
A. J.
Sirois
,
M. A.
Castellanos-Beltran
,
M. P.
DeFeo
,
L.
Ranzani
,
F.
Lecocq
,
R. W.
Simmonds
,
J. D.
Teufel
, and
J.
Aumentado
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
172603
(
2015
).
17.
B.
Vlastakis
,
G.
Kirchmair
,
Z.
Leghtas
,
S. E.
Nigg
,
L.
Frunzio
,
S. M.
Girvin
,
M.
Mirrahimi
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Science
342
,
607
(
2013
).
18.
K.
Liu
,
Y.
Xu
,
W.
Wang
,
S.-B.
Zheng
,
T.
Roy
,
S.
Kundu
,
M.
Chand
,
A.
Ranadive
,
R.
Vijay
,
Y.
Song
,
L.
Duan
, and
L.
Sun
,
Sci. Adv.
3
,
e1603159
(
2017
).
19.
W.
Wang
,
L.
Hu
,
Y.
Xu
,
K.
Liu
,
Y.
Ma
,
S.-B.
Zheng
,
R.
Vijay
,
Y. P.
Song
,
L.-M.
Duan
, and
L.
Sun
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
223604
(
2017
).
20.
N.
Ofek
,
A.
Petrenko
,
R.
Heeres
,
P.
Reinhold
,
Z.
Leghtas
,
B.
Vlastakis
,
Y.
Liu
,
L.
Frunzio
,
S. M.
Girvin
,
L.
Jiang
,
M.
Mirrahimi
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
536
,
441
(
2016
).
21.
C.
Axline
,
M.
Reagor
,
R.
Heeres
,
P.
Reinhold
,
C.
Wang
,
K.
Shain
,
W.
Pfaff
,
Y.
Chu
,
L.
Frunzio
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
042601
(
2016
).
22.
P. J.
Leek
,
M.
Baur
,
J. M.
Fink
,
R.
Bianchetti
,
L.
Steffen
,
S.
Filipp
, and
A.
Wallraff
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
100504
(
2010
).
23.
S.
Gasparinetti
,
S.
Berger
,
A. A.
Abdumalikov
,
M.
Pechal
,
S.
Filipp
, and
A. J.
Wallraff
,
Sci. Adv.
2
,
e1501732
(
2016
).
24.
E.
Flurin
,
V. V.
Ramasesh
,
S.
Hacohen-Gourgy
,
L. S.
Martin
,
N. Y.
Yao
, and
I.
Siddiqi
,
Phys. Rev. X
7
,
031023
(
2017
).
25.
J.
Koch
,
T. M.
Yu
,
J.
Gambetta
,
A. A.
Houck
,
D. I.
Schuster
,
J.
Majer
,
A.
Blais
,
M. H.
Devoret
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
76
,
042319
(
2007
).
26.
CST Studio Suite
, www.cst.com for information about the simulation tool.
27.
A. P.
Sears
,
A.
Petrenko
,
G.
Catelani
,
L.
Sun
,
H.
Paik
,
G.
Kirchmair
,
L.
Frunzio
,
L. I.
Glazman
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. B
86
,
180504
(
2012
).
28.
J.
Goetz
,
F.
Deppe
,
K. G.
Fedorov
,
P.
Eder
,
M.
Fischer
,
S.
Pogorzalek
,
E.
Xie
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
, preprint arXiv:1708.06405 (
2017
).
29.
A.
Blais
,
J.
Gambetta
,
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
S. M.
Girvin
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
75
,
032329
(
2007
).
30.
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
A.
Blais
,
J. M.
Gambetta
,
J.
Schreier
,
L.
Frunzio
,
M. H.
Devoret
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
050501
(
2007
).
31.
C.
Müller
,
J.
Lisenfeld
,
A.
Shnirman
, and
S.
Poletto
,
Phys. Rev. B
92
,
035442
(
2015
).
32.
J.
Goetz
,
F.
Deppe
,
P.
Eder
,
M.
Fischer
,
M.
Müting
,
J. P.
Martnez
,
S.
Pogorzalek
,
F.
Wulschner
,
E.
Xie
,
K. G.
Fedorov
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Quantum Sci. Technol.
2
,
025002
(
2017
).
33.
X. Y.
Jin
,
A.
Kamal
,
A. P.
Sears
,
T.
Gudmundsen
,
D.
Hover
,
J.
Miloshi
,
R.
Slattery
,
F.
Yan
,
J.
Yoder
,
T. P.
Orlando
,
S.
Gustavsson
, and
W. D.
Oliver
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
240501
(
2015
).
34.
M.
Reagor
,
H.
Paik
,
G.
Catelani
,
L.
Sun
,
C.
Axline
,
E.
Holland
,
I. M.
Pop
,
N. A.
Masluk
,
T.
Brecht
,
L.
Frunzio
,
M. H.
Devoret
,
L.
Glazman
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
192604
(
2013
).
35.
S.
Rosenblum
,
Y. Y.
Gao
,
P.
Reinhold
,
C.
Wang
,
C. J.
Axline
,
L.
Frunzio
,
S. M.
Girvin
,
L.
Jiang
,
M.
Mirrahimi
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nat. Commun.
9
,
652
(
2018
).
36.
C.
Grezes
,
B.
Julsgaard
,
Y.
Kubo
,
W. L.
Ma
,
M.
Stern
,
A.
Bienfait
,
K.
Nakamura
,
J.
Isoya
,
S.
Onoda
,
T.
Ohshima
,
V.
Jacques
,
D.
Vion
,
D.
Esteve
,
R. B.
Liu
,
K.
Mølmer
, and
P.
Bertet
,
Phys. Rev. A
92
,
020301
(
2015
).
37.
Z.
Chen
,
J.
Kelly
,
C.
Quintana
,
R.
Barends
,
B.
Campbell
,
Y.
Chen
,
B.
Chiaro
,
A.
Dunsworth
,
A. G.
Fowler
,
E.
Lucero
,
E.
Jeffrey
,
A.
Megrant
,
J.
Mutus
,
M.
Neeley
,
C.
Neill
,
P. J. J.
O'Malley
,
P.
Roushan
,
D.
Sank
,
A.
Vainsencher
,
J.
Wenner
,
T. C.
White
,
A. N.
Korotkov
, and
J. M.
Martinis
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
020501
(
2016
).
38.
F.
Motzoi
,
J. M.
Gambetta
,
P.
Rebentrost
, and
F. K.
Wilhelm
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
110501
(
2009
).
39.
H.
Paik
,
A.
Mezzacapo
,
M.
Sandberg
,
D. T.
McClure
,
B.
Abdo
,
A. D.
Córcoles
,
O.
Dial
,
D. F.
Bogorin
,
B. L. T.
Plourde
,
M.
Steffen
,
A. W.
Cross
,
J. M.
Gambetta
, and
J. M.
Chow
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
250502
(
2016
).
40.
J. M.
Gambetta
,
J. M.
Chow
, and
M.
Steffen
,
npj Quantum Inf.
3
,
2
(
2017
).
41.
T. H.
Kyaw
,
S.
Felicetti
,
G.
Romero
,
E.
Solano
, and
L.-C.
Kwek
,
Sci. Rep.
5
,
8621
(
2015
).
42.
R. K.
Naik
,
N.
Leung
,
S.
Chakram
,
P.
Groszkowski
,
Y.
Lu
,
N.
Earnest
,
D. C.
McKay
,
J.
Koch
, and
D. I.
Schuster
,
Nat. Commun.
8
,
1904
(
2017
).
43.
M.
Leib
and
M. J.
Hartmann
,
New J. Phys.
12
,
093031
(
2010
).
44.
A.
Aspuru-Guzik
,
A. D.
Dutoi
,
P. J.
Love
, and
M.
Head-Gordon
,
Science
309
,
1704
(
2005
).
45.
I.
Buluta
and
F.
Nori
,
Science
326
,
108
(
2009
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.