[論文レビュー] Landau-Zener-Stuckelberg interferometry in multilevel superconducting flux qubit

Xueda Wen, Yiwen Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高振幅・高周波数駆動場下での多準位超伝導フラックスキュービットにおけるランダウ・ジーナー・シュトラスブルグ（LZS）干渉の普遍的理論的枠組みを提示する。2準位近似を超えて、複数のエネルギーレベルを含むLZS理論の拡張により、実験的に観測された複雑な干渉パターンを説明し、新たな量子現象を予測する。これにより、超伝導キュービットにおけるパラメータの高精度抽出とデコherence機構の解明が可能になる。

ABSTRACT

Landau-Zener-Stuckelberg interferometry has been extensively investigated in quantum two-level systems, with particular interests on artificial system such as superconducting flux qubits. With increasing the driving field amplitude, more energy levels will be involved into the quantum evolution, which results in population inversion and many interesting interference patterns. These interference patterns can be used to obtain the parameters characterizing the system and probe dephasing mechanisms of the qubit. Most recently, experiments have been extended to the regime with higher-frequency and larger-amplitude driving field, in which the interference pattern exhibited more complicated characteristics. In this article, we give a universal description of the characteristics observed in both low-frequency and high-frequency regimes. Besides explaining the already observed experimental results, our theoretical model predicted many interesting phenomenon, which can be demonstrated by future experiments.

研究の動機と目的

• 2準位近似を超えて、多準位超伝導フラックスキュービットにおけるランダウ・ジーナー・シュ トラスブルグ干渉の普遍的理論的記述を構築すること。
• 高振幅・高周波数駆動場下で実験的に観測された複雑な干渉パターンを説明すること。
• 干渉特徴を用いて、超伝導キュービットのシステムパラメータの正確な抽出とデコherence機構の特徴付けを可能にすること。
• 2準位系とは異なる、多準位領域で予測される新たな量子現象を特定し、将来的な実験的検証を可能にすること。

提案手法

• 時間依存駆動場下での超伝導フラックスキュービットにおける複数エネルギーレベルを含むLZS理論の拡張。
• 回避的準位クロスイングと非断熱遷移を記述するための時間依存ハミルトニアンの使用。
• 複数の遷移経路間の干渉を考慮した、多準位系へのLZS公式の適用。
• 駆動振幅および周波数の変動に伴う、励起状態分布および干渉縞の数値シミュレーション。
• 低周波数および高周波数領域における干渉パターンの解析的表現の導出。
• 理論的予測と既存の実験データの比較により、モデルの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高振幅駆動下における超伝導フラックスキュービットの多準位効果は、ランダウ・ジーナー・シュトラスブルグ干渉パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ2 2つ以上の準位が動的に結合される場合、LZS干渉にどのような普遍的特徴が現れるか？
• RQ3 干渉パターンは、キュービットシステムの物理的パラメータをどのように抽出するために利用できるか？
• RQ4 2準位系とは異なり、多準位LZSモデルが予測する新たな量子現象は何か？
• RQ5 高周波数および高振幅駆動場は、標準的なLZS干渉挙動をどのように変化させるか？

主な発見

• 理論モデルは、高振幅・高周波数駆動場下での最近の実験で観測された複雑な干渉パターンをうまく説明できた。
• モデルは、2準位近似では捉えきれない、多準位領域における励起状態の反転および非自明な干渉特徴を予測した。
• 干渉縞がシステムパラメータに敏感であることが示され、キュービットの特徴付けに診断ツールとして利用可能であることが明らかになった。
• 単一の理論的記述により、多準位系におけるLZS干渉の低周波数および高周波数領域を統合的に扱える。
• モデルは、多パス干渉や修正された位相蓄積といった新たな量子現象を予測しており、実験的検証が可能である。
• 結果から、多準位効果が強駆動下では標準的なLZS像を顕著に変化させることを示した。