[論文レビュー] Inhibition of ground-state superradiance and light-matter decoupling in circuit QED

Tuomas Jaako, Ze-Liang Xiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2016

Strong Light-Matter Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、複数の超伝導キュービットに対称的に結合された単一の LC 共振器を有する回路 QED システムにおける光-物質相互作用を調査する。最小の回路モデルに起因する直接的なキュービット-キュービット相互作用が、基底状態の超放射転移を抑制することを示し、極端に強い結合の状態では光子モードが完全に分離され、キュービットが非常にエンタングルされた基底状態に投影されることを明らかにした。この結果、複数キュービット系における超放射相転移に関する論争を解消した。

ABSTRACT

We study effective light-matter interactions in a circuit QED system consisting of a single $LC$ resonator, which is coupled symmetrically to multiple superconducting qubits. Starting from a minimal circuit model, we demonstrate that in addition to the usual collective qubit-photon coupling the resulting Hamiltonian contains direct qubit-qubit interactions, which prevent the otherwise expected superradiant phase transition in the ground state of this system. Moreover, these qubit-qubit interactions are responsible for an opposite mechanism, which at very strong couplings completely decouples the photon mode and projects the qubits into a highly entangled ground state. These findings shed new light on the controversy over the existence of superradiant phase transitions in cavity and circuit QED systems, and show that the physics of ultrastrong light-matter interactions in two- or multi-qubit settings differ drastically from the more familiar one qubit case.

研究の動機と目的

• 複数キュービットの回路 QED システムにおける超放射相転移の存在と性質を調査すること。
• 直接的なキュービット-キュービット相互作用が集団的光-物質結合をどのように変化させるかを特定すること。
• 極端に強い結合が光子モードの分離とエンタングルされたキュービット基底状態を引き起こすかどうかを特定すること。
• 1つ以上のキュービットを含むキャビティおよび回路 QED における超放射に関する文献に存在する矛盾を解消すること。

提案手法

• 複数の超伝導キュービットに対称的に結合された単一の LC 共振器の最小回路モデルを構築すること。
• 回路モデルから有効ハミルトニアンを導出し、キュービット-キュービット相互作用を含むすべての相互作用項を特定すること。
• 結合強度を変化させた場合の系の基底状態を解析し、相転移や分離の兆候を検出すること。
• 摂動的および非摂動的技法を用いて、弱い結合および極端に強い結合の両状態で系を研究すること。
• 光子モードが分離した際のキュービット部分空間におけるエンタングルメントの出現を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的なキュービット-キュービット相互作用が、複数キュービットの回路 QED システムの基底状態における超放射相転移を防ぐか？
• RQ2 これらのキュービット-キュービット相互作用が有効な光-物質結合をどのように変化させるか？
• RQ3 どの結合強度で光子モードがキュービットから完全に分離するか？
• RQ4 極端に強い結合の効果により、キュービットが非常にエンタングルされた基底状態に投影されるか？
• RQ5 2キュービットまたは複数キュービット系における極端に強い結合の物理的性質は、単一キュービット系とどのように異なるか？

主な発見

• 最小の回路モデルに起因する直接的なキュービット-キュービット相互作用が、系の基底状態における期待される超放射相転移を抑制する。
• 極端に強い結合状態では、キュービット-キュービット相互作用の優位性により、光子モードがキュービットから完全に分離する。
• 光子モードが分離した際、キュービットは非常にエンタングルされた基底状態に投影され、これにより新しい種類の多体エンタングルメントが生じることを示した。
• 本系の挙動は、通常超放射が予想される単一キュービット系とは本質的に異なる。
• 本研究の結果により、複数キュービットの回路 QED において、競合するキュービット-キュービット相互作用のため、超放射相転移が抑制されることを示し、長年の論争を解決した。