[論文レビュー] In-situ frequency tuning of photons stored in a high Q microwave cavity

Martin Sandberg, C. M. Wilson+5 more|ArXiv.org|Jan 16, 2008

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高Qの超伝導平面波ガイド共振器に蓄えられた個々のマイクロ波光子のイン・サイトで、かつ超高速な周波数チューニングを、SQUIDベースのジョセフソンインダクタンスを動的に変調することによって実証した。デバイスは10ナノ秒未満で330 MHz以上のデチューニングを達成しており、これはキャビティの光子寿命を上回る速度である。これにより、個々の光子周波数のコherentな操作が可能となり、回路量子電磁力学における動的キュービット結合に重要な意味を持つ。

ABSTRACT

Photons are fundamental excitations of the electromagnetic field and can be captured in cavities. For a given cavity with a certain size, the fundamental mode has a fixed frequency f which gives the photons a specific "colour". The cavity also has a typical lifetime tau, which results in a finite linewidth delta f}. If the size of the cavity is changed fast compared to tau, and so that the frequency change Delta f >> delta f, then it is possible to change the "colour" of the captured photons. Here we demonstrate superconducting microwave cavities, with tunable effective lengths. The tuning is obtained by varying a Josephson inductance at one end of the cavity. We show tuning by several hundred linewidths in a time Delta t << tau. Working in the few photon limit, we show that photons stored in the cavity at one frequency will leak out from the cavity with the new frequency after the detuning. The characteristics of the measured devices make them suitable for dynamic coupling of qubits.

研究の動機と目的

• 動的量子操作を可能にするために、高速かつイン・サイトで周波数制御可能なチューナブルな超伝導マイクロ波キャビティの開発を目的とする。
• キュービットのコherenceを維持する課題に対処するため、キュービットのチューニングではなく、キャビティを介したキュービット相互作用を可能にする。
• 個々の光子が少数光子状態で周波数チューニング可能であることを実証し、コherentな光子エネルギー操作を確認すること。
• 長時間の光子保存時間を実現する高内部Qファクターを維持したまま、広いチューニング範囲と高速な周波数制御を達成すること。
• 超伝導キュービットの動的結合のための新規なプラットフォームを提供し、非古典的光子状態の研究を可能とすること。

提案手法

• 400 nmの熱成長SiO2層を有するサファイア基板上に、1/4波長の超伝導平面波ガイド（CPW）共振器をフォーマリングする。
• 共振器の一端に1つ以上のSQUIDを直列に接続し、磁束制御により可変インダクタンスとして機能させる。
• SQUIDインダクタンスは非線形インダクタンス式 $ L_s = \frac{\Phi_0}{4\pi I_c |\cos(\pi\Phi/\Phi_0)|} \sqrt{1 - \left(\frac{I}{2I_c \cos(\pi\Phi/\Phi_0)}\right)^2} $ を用いてモデル化され、動的周波数チューニングが可能となる。
• 駆動信号を用いたマイクロ波反射率測定により、散乱行列形式を用いて反射係数 $ \Gamma = \frac{V_r}{V_d} $ を測定する。
• 高速フラックスパルス（最短10 ns、立ち上がり時間約3 ns）をSQUIDに印加し、キャビティ周波数を急速にデチューニングし、システムの応答をリアルタイムで測定する。
• 熱的光子占有を最小限に抑えるために、20 mKでシステムを動作させ、少数光子状態へのアクセスを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高Qキャビティに蓄えられた個々のマイクロ波光子の周波数を、コherenceを損なわせることなく、リアルタイムでチューニング可能か？
• RQ2 コherentな光子エネルギー移動を維持できる最小のチューニング時間スケールは何か？
• RQ3 高Qファクターと低損失を維持したまま、どの程度まで周波数をデチューニング可能か？
• RQ4 チューニング機構を用いて、蓄えられた光子を効果的に圧縮または伸長させ、エネルギーを変更可能か？
• RQ5 チューニング速度はキャビティの光子寿命と比較してどの程度か？そして、動的量子制御に及ぼす影響は？

主な発見

• 4.9 GHzの共振器で最大700 MHzの周波数デチューニングを達成し、250バンド幅以上を超過し、広いチューニング範囲を実証した。
• 10 nsのパルス（立ち上がり時間3 ns）で330 MHzのデチューニングを達成し、キャビティの光子寿命をはるかに上回る高速なチューニング速度であることが確認された。
• 内部Qファクターは高い水準を維持しており、測定されたQ値は理論的期待値に近く、パルス振幅ジッターによるわずかな劣化を除いては良好であった。
• 平均光子数が約5の少数光子状態において、デチューニング後に光子が新しいキャビティ周波数に適応することが観測され、個々の光子のコherentな周波数チューニングが確認された。
• 高速フラックスパルスにより、共振周波数の増加および減少の両方が可能であり、蓄えられた光子エネルギーの双方向的チューニングが実現された。
• 不完全なパルスラインによる多重反射が観測されたが、コアとなる高速振動はナノ秒スケールで良好に分解可能であり、チューニングダイナミクスが明確に解明された。