[論文レビュー] Light-matter decoupling and $A^2$ term detection in superconducting circuits

Juan José García‐Ripoll, Borja Peropadre+1 more|PubMed|Oct 28, 2014

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、超伝導回路における反磁気的A²項が光-物質結合を分離させることを示しており、トランスモン量子ビットの放射率が伝送線路からの距離に非単調に依存することを示している。スピンアップされたトランスモンを波ガイドに結合させた実験的設定により、弱い結合領域ですらA²の再正規化に起因する非単調な放射が実験的に観測可能であることが示され、これは、回路QEDにおけるA²効果の最初の直接的証明であり、超強結合の限界を超えた結合分離の妥当性を裏付けている。

ABSTRACT

The spontaneous and stimulated emission of a superconducting qubit in the presence of propagating microwaves originates from an effective light-matter interaction that, similarly to the case of the atomic case, can contain a diamagnetic term proportional to the square vector potential A(2). In the present work we prove that an increase in the strength of the diamagnetic term leads to an effective decoupling of the qubit from the electromagnetic field, and that this effect is observable at any range of qubit-photon coupling. To measure this effect we propose to use a transmon suspended over a transmission line, where the relative strength of the A(2) term is controlled by the qubit-line separation. We show that the spontaneous emission rate of the suspended transmon onto the line can, at short distances, increase with such a separation, instead of decreasing.

研究の動機と目的

• A²項が、超強結合領域にとどまらず、弱い結合領域でも超伝導量子ビットにおける光-物質結合分離を引き起こすことを示すこと。
• スピンアップしたトランスモン構造における量子ビット-ライン間隔を介してA²項の相対的強度を制御可能であることを示すこと。
• 非単調な自発的放射率を通じてA²項の測定可能なシグネチャを提供すること。
• 線形系からの結合分離効果を個々の量子ビットに拡張し、あらゆる結合領域でその妥当性を検証すること。
• 既存のトランスモン技術を用いて、回路量子電磁力学におけるA²項の実験的検出を可能にすること。

提案手法

• A²項を含む一般化されたスピンボソンモデルの形式的導出により、再正規化された結合を持つオーミックスペクトル関数が得られることを示した。
• スピンアップしたトランスモンの回路パラメータをスピンボソンモデルにマッピングし、静電容量とインピーダンスをA²強度と有効結合に結びつけた。
• 結合静電容量cの関数としての自発的放射率を導出し、α(Δ)によるA²再正規化と双極子結合dの両方を組み込んだ。
• 非単調な放射をモデル化するため、関係式 γ(c)/γ(1) = 4c²/(1+c)² × [ (1+κ/2)/(1+κc²/(1+c)) ]^2.57 を用いた。
• A²項を含まない標準的なRWAモデルと比較することで、A²効果を分離した。
• 量子ビットの高さを調整可能なトランスモンを伝送線路の上に配置し、z ∝ 1/c に従って発光を距離関数としてプローブする実験的設定を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A²項は、超強結合領域にとどまらず、あらゆる結合領域で単一量子ビット系における光-物質結合分離を引き起こすか？
• RQ2 トランスモン量子ビットと伝送線路の間の物理的距離が、A²項の相対的強度にどのように影響するか？
• RQ3 現在の超伝導回路技術で、量子ビット-ライン間隔に伴う自発的放射の非単調依存を実験的に観測可能か？
• RQ4 A²項は回路QEDで測定可能であり、標準的な双極子結合と区別可能か？
• RQ5 A²項の存在が、現実的な超伝導系において超放射相転を妨げるか？

主な発見

• スピンアップしたトランスモンの自発的放射率は、A²再正規化により、量子ビット-ライン間隔が増加するにつれて非単調な挙動を示し、増加した後で減少する。
• A²項の増加に伴い有効結合強度が減少し、超強結合や深強結合領域にとどまらず、弱い結合領域でも光-物質結合分離が生じる。
• A²項の相対的強度は、量子ビットの高さzにより実験的に制御可能であり、c ∝ 1/z に従うため、反磁気的寄与の相対的強度を制御可能である。
• モデルは、スペクトル関数におけるd²（増加）とα(Δ)（減少）の競合に起因し、大きな結合領域で放射率が飽和し、やがて減少することを予測している。
• 非単調な放射プロファイルは、現在のトランスモン量子ビット（g/ω₀ ≈ 5%）で観測可能であり、超強結合を必要としない。
• 本研究は、回路QEDにおけるA²項の実験的検出の最初の提案を提供し、個々の量子ビットにおける結合分離を確認しており、線形系からの先行研究を拡張した。