[論文レビュー] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit

Yutaka Tabuchi, Seiichiro Ishino+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ミリメートルサイズのイットリウム鉄ガーネット（YIG）球における磁振子励起状態と超伝導トランスモンキュービットとの間で、マイクロ波キャビティを介して強力で整合性のある結合を実証した。結合強度は21.0 MHzに達し、磁振子およびキャビティの減衰レートを上回っている。この系は強結合状態にあり、可変パラメトリック駆動を用いた磁振子の量子制御が可能となり、量子磁気学の基盤を築いた。

ABSTRACT

Rigidity of an ordered phase in condensed matter results in collective excitation modes spatially extending in macroscopic dimensions. Magnon is a quantum of an elementary excitation in the ordered spin system, such as ferromagnet. Being low dissipative, dynamics of magnons in ferromagnetic insulators has been extensively studied and widely applied for decades in the contexts of ferromagnetic resonance, and more recently of Bose-Einstein condensation as well as spintronics. Moreover, towards hybrid systems for quantum memories and transducers, coupling of magnons and microwave photons in a resonator have been investigated. However, quantum-state manipulation at the single-magnon level has remained elusive because of the lack of anharmonic element in the system. Here we demonstrate coherent coupling between a magnon excitation in a millimetre-sized ferromagnetic sphere and a superconducting qubit, where the interaction is mediated by the virtual photon excitation in a microwave cavity. We obtain the coupling strength far exceeding the damping rates, thus bringing the hybrid system into the strong coupling regime. Furthermore, we find a tunable magnon-qubit coupling scheme utilising a parametric drive with a microwave. Our approach provides a versatile tool for quantum control and measurement of the magnon excitations and thus opens a new discipline of quantum magnonics.

研究の動機と目的

• 量子情報技術への応用を目的として、強誘電体半導体の磁振子モードと超伝導キュービットとの間で、整合的かつ強力な結合を実現すること。
• 単一磁振子結合が弱いという課題を、集団的磁振子励起とキュービットの非線形性を活用することで克服すること。
• パラメトリック駆動を用いた可変結合を実証し、磁振子-キュービット相互作用の動的制御を可能にすること。
• 巨視的スピン励起と超伝導回路を組み合わせたハイブリッド量子系を構築し、量子状態の操作を可能にすること。

提案手法

• トランスモン型超伝導キュービットがマイクロ波キャビティモード（TE102）に結合され、このキャビティがキュービットとYIG球内のキッテルモード磁振子との間の相互作用を媒介する。
• YIG球（直径0.5 mm）は、高いスピン密度（N ≈ 1.4×10^18）を有する高安定性・低損失の磁振子モードを支持し、結合強度の増大を促進する。
• 結合はキャビティ内の仮想光子交換を通じて行われ、キュービットと磁振子の直接結合を回避し、間接的相互作用を実現する。
• パラメトリックマイクロ波駆動を用いることで可変結合を実現し、有効な磁振子-キュービット相互作用強度の動的制御が可能となる。
• 理論的モデルは、キュービット-キャビティ、キャビティ-磁振子、およびキュービット-磁振子の相互作用を含むハミルトニアンを用い、定常近似と残存結合の摂動的取り扱いを適用する。
• パラメトリック駆動下でのキッテルモードスペクトルの数値シミュレーションは、観測された二重線およびラビ分裂を再現し、モデルの妥当性を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨視的フェロ磁性絶縁体内の磁振子モードを、量子状態において超伝導キュービットと整合的に結合させることは可能か？
• RQ2 磁振子と超伝導キュービットとの間で達成可能な結合強度は何か？ また、デ coherent レートを上回り、強結合状態に達するか？
• RQ3 パラメトリックマイクロ波駆動を用いて、磁振子-キュービット結合を動的に調整可能か？
• RQ4 残存結合が系に与える役割は何か？ また、観測されたスペクトル特徴にどのように影響するか？

主な発見

• 磁振子-キュービット結合強度は21.0 MHzで測定され、磁振子の線幅（1.4 MHz）およびキャビティの線幅（2.5 MHz）を上回り、強結合状態に達していることが確認された。
• スペクトルに明確な反クロスイングが観測され、磁振子モードとキャビティモード間の整合的エネルギー交換が示された。
• 4.3 MHzのエネルギー差を有する第二の磁気的静的モードが、キャビティと4.2 MHzの強さで結合しており、スペクトル分裂に寄与している。
• パラメトリック駆動により可変結合が実現され、駆動電力と有効結合強度の間の変換比は4.0 ± 0.4 MHz/pWであった。
• 測定された残存結合は-2.5 MHzであり、キュービット状態に応じてキッテルモード周波数がずれる現象が観測され、数値シミュレーションと整合的であった。
• 数値シミュレーションは、パラメトリック駆動下での実験的二重線および二光子ラビ分裂を再現し、理論モデルの妥当性を検証した。