[論文レビュー] Multimode photon blockade

Srivatsan Chakram, Kevin He+8 more|Oct 29, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、9つの高品質ファクター・モードを有する3次元超伝導回路量子電磁力学（cQED）系において、超伝導トランスモンキュービットを用いて特定の全光子数で集団的ブロッキングを誘導することで、マルチモードN体光子ブロッキングを実証した。光子数分解能を有する駆動を適用することで、純粋なN体相互作用を実現し、ユニバーサルな量子制御を可能にした：高精度なマルチモードウィグナー位相空間トモグラフィー法を用いて、分散シフトの設計を必要とせず、Fock状態および複数モードにまたがるエンタングルドW状態の高精度な準備が可能になった。

ABSTRACT

Interactions are essential for the creation of correlated quantum many-body states. While two-body interactions underlie most natural phenomena, three- and four-body interactions are important for the physics of nuclei [1], exotic few-body states in ultracold quantum gases [2], the fractional quantum Hall effect [3], quantum error correction [4], and holography [5, 6]. Recently, a number of artificial quantum systems have emerged as simulators for many-body physics, featuring the ability to engineer strong interactions. However, the interactions in these systems have largely been limited to the two-body paradigm, and require building up multi-body interactions by combining two-body forces. Here, we demonstrate a pure N-body interaction between microwave photons stored in an arbitrary number of electromagnetic modes of a multimode cavity. The system is dressed such that there is collectively no interaction until a target total photon number is reached across multiple distinct modes, at which point they interact strongly. The microwave cavity features 9 modes with photon lifetimes of $\sim 2$ ms coupled to a superconducting transmon circuit, forming a multimode circuit QED system with single photon cooperativities of $\sim10^9$. We generate multimode interactions by using cavity photon number resolved drives on the transmon circuit to blockade any multiphoton state with a chosen total photon number distributed across the target modes. We harness the interaction for state preparation, preparing Fock states of increasing photon number via quantum optimal control pulses acting only on the cavity modes. We demonstrate multimode interactions by generating entanglement purely with uniform cavity drives and multimode photon blockade, and characterize the resulting two- and three-mode W states using a new protocol for multimode Wigner tomography.

研究の動機と目的

• 複数の異なるキャビティモードに分散するマイクロ波光子間で、従来の2体相互作用の制限を超えた純粋なN体相互作用を設計すること。
• 分散シフトの設計を一切行わず、キャビティモード駆動のみを用いて、任意のマルチモード重ね合わせ状態にある光子クーディットのユニバーサルな量子制御を可能にすること。
• 高次のトランスモン準位や設計された分散シフトを必要としない、新しいマルチモードウィグナー位相空間トモグラフィー手法の開発。
• 光子ブロッキングを用いて、最大3モードにまで拡張可能な、エンタングルド光子状態（特にW状態）のスケーラブルな準備を実証すること。
• エキゾチックな多体量子系のシミュレーションや、マルチモード光子プラットフォームを用いた量子エラー訂正の実装を可能にする基盤を確立すること。

提案手法

• 9モード、光子寿命が約2 msの3次元マルチモード超伝導キャビティが、トランスモンキュービットと結合しており、1光子あたりの協調性は約10^9に達する。
• トランスモンキュービットに光子数分解能を有する駆動を施し、全モードにおける光子数がNに達するまで相互作用が発現しない集団的ブロッキングを誘導する。
• Fock状態の準備には、キャビティモードにのみ作用する量子最適制御パulsesを適用し、特定モードに増加する光子数のFock状態を生成する。
• 均一なキャビティ駆動とマルチモード光子ブロッキングを用いて、2または3モードにまたがるW状態を生成する。
• qubitのラーマンシーケンスを用いた、変動する位相差を有する新しいマルチモードウィグナー位相空間トモグラフィー手法を実装し、qubitが各モードの光子数に比例した位相を蓄積するようにする。
• 各モードにコヒーレント位相シフトを施し、測定データを逆算することで一般化されたウィグナー関数を再構成し、高次のトランスモン準位や設計された分散シフトを必要としない完全な密度行列の特徴付けを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の異なるキャビティモードに分散するマイクロ波光子間で、純粋なN体相互作用を実現できるか？
• RQ2 ブロッキング駆動が存在する中で、キャビティモード制御のみを用いて、任意のキャビティモードに増加する光子数のFock状態を準備できるか？
• RQ3 複雑な分散シフトの設計を必要とせず、ブロッキング機構を用いて複数モードにまたがるエンタングルドW状態を生成・特徴付けられるか？
• RQ4 高次のトランスモン準位や設計された分散シフトに依存しない、強固でスケーラブルなマルチモードウィグナー位相空間トモグラフィー手法を開発できるか？
• RQ5 高協調性のcQED系において、マルチモード光子ブロッキングを用いて準備されたマルチモード光子状態の忠実度とコherー二ティはどの程度か？

主な発見

• 全モードにおける光子数がNに達するまで光子は非相互作用的であり、Nに達すると強力な集団的相互作用が発現するマルチモードN体相互作用が実現された。
• ブロッキング駆動が存在する中で、キャビティモードのみの最適制御パulsesを用いて、個々のモードに増加する光子数のFock状態が成功裏に準備された。
• 2モードおよび3モードのエンタングルドW状態が、状態忠実度0.918 ± 0.012および0.864 ± 0.014で生成され、マルチモードウィグナー位相空間トモグラフィーにより確認された。
• 新規に開発されたウィグナー位相空間トモグラフィー手法は、分散シフトの設計を必要とせず、マルチモード状態の密度行列を正常に再構成した。
• マルチモードcQEDプラットフォームは、最大9モードの高品質ファクター・モードを有し、光子寿命は約2 ms、1光子あたりの協調性は約10^9に達し、高精度な量子状態の準備と特徴付けを可能にした。
• 本結果は、エキゾチックな多体量子系のシミュレーションや、マルチモード光子プラットフォームを用いた量子エラー訂正の実装に向けたスケーラブルな道筋を示した。