[論文レビュー] Atoms Talking to SQUIDs

Jennifer E. Hoffman, Jeffrey A. Grover+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、磁気双極子相互作用を介して87Rb原子を超伝導フラックスキュービットまたはLC共振器に結合するハイブリッド量子系を提案する。効果的光ファイバートラップを用いて原子を超伝導チップの10 μm上に捕らえることで、強い結合（1原子あたり約34.6 Hz）を実現し、超伝導キュービットにおける電荷ノイズやデコherence機構の調査に適したプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

We present a scheme to couple trapped $^{87}$Rb atoms to a superconducting flux qubit through a magnetic dipole transition. We plan to trap atoms on the evanescent wave outside an ultrathin fiber to bring the atoms to less than 10 $μ$m above the surface of the superconductor. This hybrid setup lends itself to probing sources of decoherence in superconducting qubits. Our current plan has the intermediate goal of coupling the atoms to a superconducting LC resonator.

研究の動機と目的

• 中性原子の長いコherencesと超伝導回路のスケーラビリティを組み合わせたハイブリッド量子プロセッサの開発を目的とする。
• 捕らえた原子を電荷ノイズの感受性プローブとして用いることで、超伝導キュービットにおけるデコherenceの原因を調査することを目的とする。
• 原子のハイパーファイン遷移と超伝導共振器またはフラックスキュービットとの強い結合を達成することを目的とする。
• 効果的光ファイバートラップを用いて原子を超伝導デバイスの周辺に捕らえることで、スケーラブルなアーキテクチャを実証することを目的とする。
• Rydberg原子を電場センサーとして用い、超伝導回路内の微視的デコherence要因を同定することを目的とする。

提案手法

• 超伝導チップの約10 μm上に、2色の効果的波動光ファイバートラップ（TOF）を用いて87Rb原子を捕らえる。
• 最初の結合を実現するため、87Rbの6.863 GHzハイパーファイン分裂に合わせたラumped-constant超伝導LC共振器を用いる。
• 磁界分布のモデル化と共振器への結合最適化のため、高周波電磁界シミュレーション（HFSS）を用いる。
• 磁気双極子相互作用ハミルトニアン $ H_{int} = -\bm{\nu}_i \cdot \bm{B} $ を用いて結合強度を計算し、$ \bm{B} $ は1光子およびフラックス量子場から導出する。
• 光損失を最小限に抑えるために、断続的テーパーを有する光ファイバ（TOF）を設計し、条件 $ \Omega < \frac{\rho(\beta_1 - \beta_2)}{2\pi} $ を満たすようにする。
• 共振器に結合されたマイクロ波トランスミッションラインを用い、光子誘発遷移を検出し、結合効率を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性87Rb原子は、磁気双極子遷移を介して超伝導フラックスキュービットにコherently結合可能か？
• RQ2 ハイブリッドアーキテクチャにおいて、1原子と超伝導共振器またはフラックスキュービットとの間に達成可能な結合強度はどの程度か？
• RQ3 超伝導LC共振器からの磁界分布が、原子の磁気双極子モーメントへの結合にどのように影響するか？
• RQ4 超伝導回路に近接して捕らえた原子は、電荷ノイズやその他のデコherence要因の感受性プローブとして機能可能か？
• RQ5 光損失を最小限に抑え、結合を最大化するための、最適な幾何的および材料的パrameterは何か？

主な発見

• HFSSシミュレーションにより、インダクタの5 μm上での磁界を基に、1つの87Rb原子と1つのマイクロ波光子との間の推定結合強度は34.6 Hzである。
• 共振器の有効モード体積は $ 10 \times 10^{-16} \, \text{m}^3 $ と推定され、超伝導構造の近傍における強い場の閉じ込めと整合的である。
• 12 mKおよび6.863 GHzで、LC共振器の負荷Qファクターは40,000であり、共鳴時にマイクロ波透過で1.5 dBのディップが観測された。
• ファイバ表面から138 nm上でのCasimir-Polderポテンシャルは、トラップ深さ7.43 mKをもたらし、わずかなシフト（0.03 mK）と1 nmのサイト間隔を示した。
• 共振器内1光子からの磁界は $ 2.47 \times 10^{-9} \, \text{T} $ と計算され、このような系における期待される量子限界と整合的である。
• 適切に制御されたテーパーアングルおよび半径により、効果的光ファイバの断続的条件が満たされ、モード漏れおよび超伝導体の加熱が最小限に抑えられた。