[論文レビュー] Dissipative Landau-Zener tunneling in the crossover regime from weak to strong environment coupling

X. Dai, R. Trappen+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、チューナブルな超伝導フラックスキュービットを用いて、Landau-Zenerトンネルにおける弱散乱から強散乱へのクロスオーバーを実験的に示した。系と環境の結合を調整することで、弱結合領域における熱化と強結合領域におけるドレスドル状態のダイナミクスの間の遷移を観測し、オープン量子系のダイナミクスおよび量子アンネーリングにおける新たな知見を提供した。

ABSTRACT

Landau-Zener tunneling, which describes the transition in a two-level system during a sweep through an anti-crossing, is a model applicable to a wide range of physical phenomena. Realistic quantum systems are affected by dissipation due to coupling to their environments. An important aspect of understanding such open quantum systems is the relative energy scales of the system itself and the system-environment coupling, which distinguishes the weak- and strong-coupling regimes. Using a tunable superconducting flux qubit, we observe the crossover from weak to strong coupling to the environment in Landau-Zener tunneling. Our results confirm previous theoretical studies of dissipative Landau-Zener tunneling in the weak and strong coupling limits. We devise a spin bath model that effectively captures the crossover regime. This work is relevant for understanding the role of dissipation in quantum annealing, where the system is expected to go through a cascade of Landau-Zener transitions before reaching the target state.

研究の動機と目的

• 散乱的Landau-Zenerトンネルにおける量子系と環境との間の弱結合から強結合へのクロスオーバーを実験的に観測すること。
• 環境に起因する効果（熱化やドレスドル状態遷移など）が、系-バスタブ結合強度の増大に伴いどのように変化するかを調査すること。
• これまで実験的に未解決であった中間結合領域におけるオープン量子系の理論的モデルの実験的妥当性を検証すること。
• これらのダイナミクスが、非断熱遷移やデコherenceが性能のボトルネックとなる量子アンネーリングに与える影響を評価すること。

提案手法

• キャパシタントにシャントされたジャンクションを備えたチューナブルな超伝導フラックスキュービットを用い、キュービットのパーゼント電流と準位分裂を制御した。
• 高速な任意波形ジェネレータを用いたフラックスバイアス構成により、キュービットを回避準位クロスイングの領域を通過させ、Landau-Zener遷移を実現した。
• フラックスに敏感な共鳴器による読み出しを用い、恒常的電流基底で測定を行い、エネルギー固有状態基底と99％以上の重なりを持つ高精度な状態検出を実現した。
• T1およびT2の緩和／位相崩壊測定を用いてノイズを特徴付け、回路モデルのフィッティングにより、フラックスバイアス関数としての$I_p$および$Δ$を抽出した。
• 弱結合領域と強結合領域をモデル化するため、時間に依存するAME（アディアバティックマスター方程式）およびPTRE（ポラロン変換赤色散乱方程式）形式を用いてオープン系ダイナミクスをシミュレートした。
• ノイズ感度および緩和データから$z$-ループフラックスノイズのパワースペクトル密度（PSD）を計算し、マスター方程式のシミュレーションの入力として使用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系-環境結合強度が弱から強に増大するに従い、散乱的Landau-Zenerトンネルにおける遷移確率はどのように変化するか？
• RQ2 中間結合領域における主要なデコherenceメカニズムは何か？ また、弱結合領域の熱化と強結合領域のドレスドル状態シナリオとはどのように異なるか？
• RQ3 AMEおよびPTRE形式が、弱結合から強結合への全クロスオーバー領域において、実験データをどれほど正確に記述できるか？
• RQ4 $1/f$ノイズおよび非マーカフゾン効果が、強結合領域におけるダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 弱結合から強結合への滑らかなクロスオーバーが観測され、遷移確率が弱結合領域の熱化に支配されていたのに対し、強結合領域では環境にドレスドルされた状態間の遷移が支配的となった。
• 弱結合領域では、測定されたノイズPSDを用いたAMEシミュレーションが観測された遷移確率を正確に予測し、環境に起因する熱化の役割を確認した。
• 強結合領域では、AMEに比べてPTRE形式が実験データにより良いフィットを示し、強い系-バスタブもつれおよび非マーカフゾン効果が正確なモデル化に不可欠であることを示した。
• マスター方程式にランブシフト項を含めても、最終的な基底状態確率に顕著な影響がなく、二重側面AMEを用いることの妥当性が裏付けられた。
• 結果として、中間結合領域が標準的な弱結合または強結合理論では捉えきれない非自明なダイナミクスを示すことが明らかとなり、高度なオープン系フレームワークの必要性が強調された。