[論文レビュー] Probing a transmon qubit via the ultra-strong coupling to a Josephson waveguide

Javier Puertas Martínez, Sébastien Leger+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、4700個のチューナブルなジャンクションを有する長尺なオンチップジョセフソン波ガイドを用いて、トランスモンキュービットと超強結合を実現し、複数のボソン的共鳴モードにおける位相シフトを通じてキュービットの性質を直接測定することを可能にした。この系は、有限な環境が真に巨視的バスタッチに相当するものであり、幅広がりがキュービット遷移周波数の顕著な割合に達しており、ハイブリッド化された量子系のパrameter-freeモデルを提供する。

ABSTRACT

Exploring the quantum world often starts by drawing a sharp boundary between a microscopic subsystem and the bath to which it is invariably coupled. In most cases, knowledge of the physical processes occuring in the bath is not required in great detail. However, recent developments in circuit quantum electrodynamics are presenting regimes where the actual dynamics of engineered baths, such as microwave photon resonators, becomes relevant. Here we take a major technological step forward, by tailoring a centimeter-scale on-chip bath from a very long metamaterial made of 4700 tunable Josephson junctions. By monitoring how each measurable bosonic resonance of the circuit acquires a phase-shift due to its interaction with a transmon qubit, one can indirectly measure qubit properties, such as transition frequency, linewidth and non-linearity. This new platform also demonstrates the ultra-strong coupling regime for the first time in the context of Josephson waveguides. Our device combines a large number of modes (up to 10 in the present setup) that are simultaneously hybridised with the two-level system, and a broadening dominated by the artificial environment that is a sizeable fraction of the qubit transition frequency. Finally, we provide a quantitative and parameter-free model of this large quantum system, and show that the finite environment seen by the qubit is equivalent to a truly macroscopic bath.

研究の動機と目的

• 弱結合領域を超えた回路量子電磁力学における設計された量子バスタッチのダイナミクスを探索すること。
• バスタッチの内部ダイナミクスが系に顕著に影響を与える状況において、キュービットの性質を特徴づける課題に取り組むこと。
• 巨視的でチューナブルなジョセフソン波ガイド環境において、超強結合領域にアクセス可能なプラットフォームを構築すること。
• トランスモンキュービットが人工バスタッチの複数モードとハイブリッド化された大規模量子系の定量的かつパrameter-freeなモデルを提供すること。
• キュービットが見ている有限な環境が、スペクトル的および動的性質の面で真に巨視的バスタッチに相当することを実証すること。

提案手法

• 4700個のチューナブルなジョセフソンジャンクションを用いて、制御可能なモード構造を持つ長尺な人工バスタッチとしてのセンチメートルスケールのオンチップジョセフソン波ガイドを設計した。
• 波ガイド内の各ボソン的共鳴モードにおける位相シフトを測定することで、トランスモンキュービットの遷移周波数、線幅、非調和性を間接的にプローブした。
• 結合エネルギーがキュービット遷移周波数の顕著な割合に達するように、キュービット-波ガイド結合強度を調整することで、超強結合を達成した。
• 同時に、波ガイドの最大10個の異なるモードとキュービットをハイブリッド化し、マルチモードもつれと集団的応答解析を可能にした。
• 波ガイドを有限で巨視的な環境として扱うことで、完全な量子系を正確に記述するパrameter-freeな理論モデルを構築した。
• 複数の共鳴モードおよび結合領域において、測定された位相シフトと理論的予測を比較することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジョセフソン波ガイドプラットフォームにおいて超強結合を実現可能であり、その観測可能な特徴は何か？
• RQ2 長尺なジョセフソン波ガイドの有限で構造化された環境は、マコビアンバスタッチと比較してキュービットダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 設計されたバスタッチの共鳴モードにおける位相シフトから、キュービットの性質をどの程度正確に抽出できるか？
• RQ4 スペクトル的および動的性質の観点から、キュービットが見ている有効な環境は、真に巨視的バスタッチに相当するか？
• RQ5 パrameter-freeモデルは、長波ガイドの複数モードと強く結合したトランスモンキュービットの集団的挙動を正確に記述できるか？

主な発見

• 本研究では、ジョセフソン波ガイドで初めて超強結合領域に到達し、結合強度がキュービット遷移周波数の顕著な割合に達した。
• 波ガイドの共鳴モードにおける位相シフトが、キュービットの遷移周波数、線幅、非調和性を高精度で直接的かつ非干渉的にプローブ可能であることを示した。
• 有限な波ガイド環境は、キュービット遷移周波数の顕著な割合に達するスペクトル幅広がりを示しており、強い非マコビアンダイナミクスを示している。
• 測定された系の応答は、パrameter-freeモデルにより定量的に正確に記述されており、有限な波ガイドが真に巨視的バスタッチに相当することを確認した。
• 最大10個の異なるボソン的モードが同時に二準位系とハイブリッド化され、マルチモードもつれと集団的量子挙動が可能となった。
• 実験データは理論的予測と優れた一致を示しており、モデルがハイブリッド化された系の完全な量子ダイナミクスを捉える能力を裏付けた。