[論文レビュー] Quantum Simulation of the Fermion-Boson Composite Quasi-Particles with a Driven Qubit-Magnon Hybrid Quantum System

Yi-Pu Wang, Guo‐Qiang Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 50被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、3次元マイクロ波キャビティ内に埋め込まれた超伝導トランスモンキュービットとYIG球内の磁気モード（マグノン）を、仮想キャビティ光子を介して強く結合させた駆動型キュービット-マグノンハイブリッド系を実現した。この系は、フェルミ粒子とボソンの複合準粒子を模倣する二重にドレッシングされた状態を実現し、広い駆動パワー範囲において実験的周波数分裂が理論的予測と一致した。これにより、粒子-ホール対称性を示すフェルミ粒子-ボソン系の量子シミュレーションが可能になった。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate strong coupling between the ferromagnetic magnons in a small yttrium-iron-garnet (YIG) sphere and the drive-field-induced dressed states of a superconducting qubit, which gives rise to the double dressing of the superconducting qubit. The YIG sphere and the superconducting qubit are embedded in a microwave cavity and the effective coupling between them is mediated by the virtual cavity photons. The theoretical results fit the experimental observations well in a wide region of the drive-field power resonantly applied to the superconducting qubit and reveal that the driven qubit-magnon hybrid quantum system can be harnessed to emulate a particle-hole-symmetric pair coupled to a bosonic mode. This hybrid quantum system offers a novel platform for quantum simulation of the composite quasi-particles consisting of fermions and bosons.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットとYIG球内のマグノンを組み合わせたハイブリッド量子系を構築し、量子シミュレーションを実現すること。
• 駆動されたキュービットのドレッシング状態とマグノンの間を仮想キャビティ光子が媒介する強い結合を実証すること。
• 共鳴駆動下でフェルミオン的キュービット状態とボソン的マグノンが合成する複合準粒子の出現を調査すること。
• フェルミオン的性質を調整可能なチューナブルなプラットフォームを提供し、粒子-ホール対称性を示すフェルミ粒子-ボソン系をシミュレートすること。

提案手法

• 3次元トランスモンキュービットとYIG球を、TE102モードの電場と磁場の腹（アンチノード）に配置した矩形マイクロ波キャビティ内に埋め込む。
• 共鳴マイクロ波駆動場がキュービットをコherentにドレッシングさせ、Rabi周波数 Ωd ∝ √Pd を持つドレッシング状態を形成する。
• 仮想キャビティ光子が駆動キュービットとマグノンの間で有効な結合を媒介し、二重にドレッシングされたハイブリッド化された正規モードを生成する。
• 理論的モデリングには、フェルミオン対とボソンモードの粒子-ホール対称性を持つ系を記述するハミルトニアンを用い、結合定数 gqm とマグノン数 N を含む。
• ハイブリッドモード間の周波数分裂は、ω4−ω1 = Ωd/2 + [(Ωd/2)² + (2gqm√(N+1))²]^1/2 および ω3−ω2 = −Ωd/2 + [(Ωd/2)² + (2gqm√(N+1))²]^1/2 として解析的に導出される。
• 実験データは理論モデルにフィットさせ、N=0 と Ωd = k√Pd を仮定し、k = 103 MHz/mW^1/2 を得た。高パワー領域でのずれは、マグノン励起を示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 仮想キャビティ光子を介して駆動された超伝導キュービットが、YIG球内のマグノンと強く結合し、二重にドレッシングされた状態を形成できるか？
• RQ2 得られたハイブリッドモードは粒子-ホール対称性を示し、フェルミオン-ボソン複合準粒子として振る舞うか？
• RQ3 強い駆動領域において、有効結合定数とモード分裂はどのように駆動パワーに依存するか？
• RQ4 高パワー領域において、N=0 基底状態仮定からの系の振る舞いのずれはどの程度顕著か？

主な発見

• 実験的透過スペクトルには、明確な鏡像対称性と、共鳴駆動下で4つの明確な吸収ディップが観測され、二重にドレッシングされた状態の形成が確認された。
• 周波数分裂 ω4−ω1 と ω3−ω2 は、駆動パワーの増加に伴い、それぞれ増加および減少し、式(4)からの理論的予測と一致した。
• 低パワー領域では、理論モデル（N=0仮定）とのフィットが良好であり、駆動振幅のスケーリングに k = 103 MHz/mW^1/2 のフィッティングパラメータが得られた。
• 高パワー領域では、N=0 のモデルが実験からずれ、キャビティ内でのマグノン励起と熱的効果が顕著であることが示された。
• 二重にドレッシングされた状態は、ハイブリッドモード内のマグノン寄与に応じて調整可能なフェルミオン的性質を示す複合準粒子として振る舞った。
• 本系は、粒子-ホール対称性を示すフェルミ粒子-ボソン結合系を効果的に模倣し、複合準粒子の量子シミュレーションを成功裏に実現した。