[論文レビュー] Resonance fluorescence from an artificial atom in squeezed vacuum

D.M. Toyli, Andrew Eddins+7 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Feb 10, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、マイクロ波周波数の圧縮真空と強く結合した超伝導人工原子からの共鳴蛍光を実証し、真空中のレベルより3.1 dB低い蛍光線幅を達成した。広帯域の伝送波パラメトリック増幅器を用いて高分解能の検出を実現し、位相依存のモーロー三重項スペクトルを観測した。これは、圧縮真空中の2準位原子に対する理論的予測を確認するものであり、共鳴蛍光が量子技術分野における移動性圧縮状態を特徴付けるためのツールであることを確立する。

ABSTRACT

We present an experimental realization of resonance fluorescence in squeezed vacuum. We strongly couple microwave-frequency squeezed light to a superconducting artificial atom and detect the resulting fluorescence with high resolution enabled by a broadband traveling-wave parametric amplifier. We investigate the fluorescence spectra in the weak and strong driving regimes, observing up to 3.1 dB of reduction of the fluorescence linewidth below the ordinary vacuum level and a dramatic dependence of the Mollow triplet spectrum on the relative phase of the driving and squeezed vacuum fields. Our results are in excellent agreement with predictions for spectra produced by a two-level atom in squeezed vacuum [Phys. Rev. Lett. extbf{58}, 2539-2542 (1987)], demonstrating that resonance fluorescence offers a resource-efficient means to characterize squeezing in cryogenic environments.

研究の動機と目的

• 理論的に予測されたが、これまで未検証であった、圧縮真空中の人工原子からの共鳴蛍光を実験的に実証すること。
• 特に弱駆動および強駆動領域において、超伝導キュービットが圧縮マイクロ波場と強く結合した状態でのスペクトル応答を特徴付けること。
• 共鳴蛍光を分光的ツールとして用い、冷却環境下での圧縮のプローブと定量を資源効率よく行う方法を開発すること。
• 圧縮真空バスターレジームにおける位相依存線幅およびモーロー三重項構造の理論的予測を検証すること。

提案手法

• ジョセフソンパラメトリック増幅器（JPA）を用いて、制御可能な四分位分散を有する移動性で周波数可変のマイクロ波周波数圧縮光を生成する。
• トランスモン超伝導キュービットをマイクロ波波ガイドキャビティと強く結合させ、2準位系を形成し、圧縮真空場と相互作用させる。
• 広帯域の伝送波パラメトリック増幅器（TWPA）を用いて蛍光を高分解能で検出することで、スペクトル線形状の正確な測定を可能にする。
• 理論的モデルはジェインズ＝カミングスハミルトニアンと段階的マスター方程式の形式を用い、さまざまな条件下での反射スペクトルについて解析的表現を導出する。
• 熱的およびノイズ寄与を最小限に抑えるために、システムをミリケルビン未満（30 mK未満）の低温で動作させる。これにより、場は真空中に近い状態を保つ。
• 駆動ラビ場と圧縮真空の間の相対位相を系統的に変化させ、それが蛍光スペクトルに与える影響を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2準位人工原子からの共鳴蛍光は、圧縮真空が存在する中でコherent場によって駆動された場合、どのように変化するか？
• RQ2 超伝導回路プラットフォームにおいて、サブネイチャル線幅の蛍光が実験的に達成され、測定可能か？
• RQ3 駆動場と圧縮真空の間の相対位相が、モーロー三重項のスペクトル構造に与える影響は何か？
• RQ4 実験結果は、圧縮バスターレジームにおける共鳴蛍光の理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 共鳴蛍光は、移動性圧縮マイクロ波状態を特徴付けるための信頼性があり、資源効率の良い方法として利用可能か？

主な発見

• 蛍光線幅は、真空中の自然線幅よりも最大で3.1 dBまで短縮され、圧縮によるサブネイチャル幅拡大が実証された。
• モーロー三重項スペクトルは、駆動場と圧縮真空の間の相対位相に強く依存しており、線幅はcos(2Φ)に従って変調され、理論的予測と一致した。
• 実験的スペクトルは、解析的モデルおよび段階的マスター方程式のシミュレーションと優れた一致を示し、圧縮真空中の2準位原子の理論的枠組みの妥当性が検証された。
• 広帯域の伝送波パラメトリック増幅器を用いることで、高分解能の蛍光検出が達成され、微細なスペクトル特徴の観測が可能になった。
• 結果は、共鳴蛍光が、回路量子電磁力学における移動性圧縮マイクロ波状態を特徴付ける分光的プローブとして利用可能であることを確認した。
• 観測された位相依存スペクトル特徴は、非古典的真空揺らぎの直接的証拠を示し、圧縮場の量子的性質を確認するものである。