[論文レビュー] Observation of first- and second-order dissipative phase transitions in a two-photon driven Kerr resonator

Guillaume Beaulieu, Fabrizio Minganti+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2光子駆動された超伝導Kerr共振器における、1次および2次の散逸的相転移（DPT）の最初の実験的観測を報告する。パラメトリックに駆動された非線形キャビティを設計することで、1次DPTでは相の共存とヒステリシスを観測し、2次DPTでは自発的対称性の破れと臨界遅れの低下を観測した。量子軌道モニタリングおよびLiouvillianスペクトル解析により検証され、超伝導回路における非平衡臨界性の制御が実証された。

ABSTRACT

In open quantum systems, first- and second-order dissipative phase transitions (DPTs) can emerge in the thermodynamic limit from the competition between unitary evolution, driving terms, and dissipation. The order of a DPT is defined by the continuity properties of the steady state. Until now, second-order DPTs have predominantly been investigated theoretically, while first-order DPTs have been observed in key experiments based on the theory of the single-photon driven Kerr resonator. We present here the first comprehensive experimental and theoretical analysis of both first and second-order DPTs in a two-photon (i.e., parametrically) driven Kerr superconducting resonator. Firstly, we characterize the steady state and its main features at the second- and first-order critical points: squeezing below vacuum and coexistence of two phases with different photon numbers, respectively. Then, by continuously monitoring the system along quantum trajectories, we study the non-equilibrium dynamics across the critical points. We witness the hysteresis cycles associated with the first-order DPT and the spontaneous symmetry breaking due to the second-order DPT. Applying the spectral theory of the Liouvillian superoperator, we develop efficient procedures to quantify the critical slowing down associated with the timescales of these processes. When scaling towards the thermodynamic limit, these timescales span five orders of magnitude. Our results corroborate the predictions derived using the Liouvillian theory of DPTs. This work stands as a compelling example of engineering and controlling of criticality in superconducting circuits. It marks a significant advancement in the use of two-photon driven Kerr resonators for criticality-enhanced quantum information applications.

研究の動機と目的

• 2光子駆動された超伝導Kerr共振器における1次および2次散逸的相転移（DPT）を実験的に観測し、特徴づけること。
• 連続的な量子軌道モニタリングを用いて、臨界点を越える非平衡ダイナミクスを調査すること。
• Liouvillian超演算子のスペクトル理論を用いて、臨界遅れの低下を定量すること。
• スケーラブルな超伝導回路プラットフォームを用いて、オープン量子系におけるDPTの理論的予測を実験的に検証すること。
• 量子情報処理や感度向上への応用を想定し、臨界性の工学的制御を示すこと。

提案手法

• 信号収集のためのフィードラインにキャパシティブに結合された$λ/4$コプラナー波ガイド共振器を実装し、SQUIDを介して共振周波数およびKerr非線形性を調整する。
• キャビティ周波数の約2倍の周波数でコherentポンプ音を印加し、2光子駆動を誘発することで、パラメトリック励起を実現する。
• 混合検出を用いて量子軌道に沿った連続的モニタリングを実施し、非平衡ダイナミクスの観測を可能にする。
• Liouvillian超演算子のスペクトル解析により、最小の非ゼロ固有値を抽出し、臨界遅れの低下の時間スケールを定量化する。
• Lindbladマスタ方程式の数値的および解析的モデル化により、定常状態の性質および相関関数をシミュレートする。
• 測定された量子軌道と理論的予測を比較し、Liouvillianギャップを抽出し、臨界行動の確認を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2光子駆動されたKerr共振器において、1次および2次散逸的相転移を実験的に観測できるか？
• RQ2 ヒステリシスや自発的対称性の破れを含む非平衡ダイナミクスが、臨界点を越えてどのように現れるか？
• RQ3 オープン量子系における臨界遅れの低下を特徴づけるために、Liouvillianスペクトルは果たすどのような役割を果たすか？
• RQ4 このような系において、緩和およびデコherenceの時間スケールは、熱力学的極限に近づくに従いどのようにスケーリングするか？
• RQ5 量子軌道モニタリングは、散逸的相転移の背後にある臨界行動をどの程度明らかにできるか？

主な発見

• 量子軌道モニタリングにより確認されたように、相の共存、力学的安定性の欠如、ヒステリシスを特徴とする1次DPTが観測された。
• 自発的対称性の破れが、非ゼロの秩序パラメータと臨界揺らぎの出現によって裏付けられ、2次DPTが観測された。
• 量子軌道解析を用いて、2次DPTに伴うLiouvillianスペクトルギャップ（λ_SSB）および1次DPTに伴うギャップ（λ_1st）が実験的に抽出され、理論的予測が裏付けられた。
• 相関関数の指数的減衰を用いて臨界遅れの低下が定量化され、熱力学的極限に近づくに従い、時間スケールが5桁のオーダーで変化した。
• 2次臨界点における定常状態で、真空中のスケーリングが観測され、強い量子相関が示された。
• 測定された量子軌道とLiouvillianスペクトル理論との一致により、オープン量子系におけるDPTの理論的枠組みが実証された。