[論文レビュー] Quantum dynamics of a microwave resonator strongly coupled to a tunnel junction

Jérôme Estève, M. Aprili+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、状態依存のランプシフトと量子ジャンプを工学的に制御可能な可変量子浴（quantum bath）として、強いつながりを持つマイクロ波共振器-トンネル接合系を提案する。接合の非線形コンダクタンスを活用することで、1光子源としての光子ブロッキングを実現し、ランプシフトによって誘導される非線形性により、ヨージョスン接合を用いないキュービットを実現する。これにより、高精度な量子ゼノダイナミクスと、準位間の非摂動的過程に制限されたコherence時間に到達する。

ABSTRACT

We consider the coupling of a single mode microwave resonator to a tunnel junction whose contacts are at thermal equilibrium. We derive the quantum master equation describing the evolution of the resonator field in the strong coupling regime, where the characteristic impedance of the resonator is larger than the quantum of resistance. We first study the case of a normal-insulator-normal junction and show that a dc driven single photon source can be obtained. We then consider the case of a superconductor-insulator-normal and superconductor-insulator-superconductor junction. There, we show that the Lamb shift induced by the junction gives rise to a nonlinear spectrum of the resonator even when the junction induced losses are negligible. We discuss the resulting dynamics and consider possible applications including quantum Zeno dynamics and the realization of a qubit.

研究の動機と目的

• 強い結合状態（Zc ~ RK）におけるトンネル接合に強く結合したマイクロ波共振器のための量子マスター方程式を構築すること。
• 接合によって誘導されるランプシフトが、共振器スペクトルに強い、散乱のない非線形性を生成できることを示すこと。
• λ² = 2 における NIN 接合を用いて、光子ブロッキングにより直流駆動型の1光子源を実現すること。
• SIS および SIN 接合が、共振器のダイナミクスを低フォック状態部分空間に制限することで、量子ゼノダイナミクスを実現できることを示すこと。
• ランプシフト工学に基づく、ヨージョスン接合を不要とするキュービットを提案し、可変な非線形性と長いコherence時間を持つこと。

提案手法

• Born-Markov 近似および正規化近似を用いて、共振器密度行列の Lindblad 形式の量子マスター方程式を導出する。
• 接合の接触部を熱的バスタスとしてモデル化し、フォック基底における位相シフト演算子 exp[iλ(a + a†)] を用いてジャンプ演算子 Al を表現する。
• 接合の種別および直流バイアス電圧 V に応じた状態依存のランプシフト εl とジャンプレート γl を計算する。
• マスター方程式を用いて駆動下での時間発展をシミュレートし、量子ゼノダイナミクスの優れた忠実度を最適化する。
• 結合パラメータ λ とバイアス電圧 V を調整することで、ダイナミクスを n_c 個のフォック状態に閉じ込め、キュービットの非線形性を工学的に設計する。
• 電圧ノイズによるデコherenceを分析し、現実的なノイズモデル下でのコherence時間を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いつながりを持つ共振器-接合系は、新たな量子制御プロトコルを可能にする状態依存のランプシフトと量子ジャンプを示すことができるか？
• RQ2 接合の種別（NIN, SIN, SIS）が、共振器スペクトルにおける非線形性の出現にどのように影響するか？
• RQ3 λ² = 2 における NIN 接合で光子ブロッキングを達成でき、決定的1光子源を実現できるか？
• RQ4 強い結合状態にある接合に結合した共振器で量子ゼノダイナミクスを実現できるか？また、達成可能な忠実度はどの程度か？
• RQ5 ランプシフト工学による非線形性を用いて、ヨージョスン接合を不要とするキュービットを実現できるか？そのコherence特性はいかなるものか？

主な発見

• NIN 接合において λ² = 2 の条件下で1光子源が実現され、1つの光子が存在する状態では2番目の光子の吸収がブロッキングされる。
• SIS および SIN 接合では、超伝導ギャップに起因するコンダクタンスの急激な増加により、ランプシフトが強い、散乱のない非線形性を誘導する。
• |eV| = 5ℏΩ および λ² = 4.8 の条件下で、SIN 接合では 0.92、SIS 接合では 0.96 の忠実度で量子ゼノダイナミクスが達成され、λ² = 2 においても高い忠実度が維持される。
• n_c = 2 の条件下でヨージョスン接合を不要とするキュービットが実現され、λ² = 2 で U = Ω/20、γ₀ = Ω/2 の非線形性を達成し、現実的なノイズ下でデコherenceレートは約 10⁻⁴ s⁻¹ に抑えられる。
• キュービットのコherence時間は接合に起因する損失によって制限されるのではなく、アンドレーエフ散乱などの準位間過程によって制限されており、依然として高いコherenceが達成可能である。