[論文レビュー] Selection rules in a strongly coupled qubit-resonator system

Thomas M. Niemczyk, Frank Deppe+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2011

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、qubitのフラックスバイアスを調整することで、強い結合した超伝導キュービット-レゾネータ系において選択則の制御を実験的に示した。これにより、1光子および2光子遷移の共存が可能になった。真空中の結合強度は、最小限のレゾネータ励起で2光子スペクトルから直接抽出され、強い結合の確認と回路QEDにおける理論予測の妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

Superconducting qubits acting as artificial two-level atoms allow for controlled variation of the symmetry properties which govern the selection rules for single and multiphoton excitation. We spectroscopically analyze a superconducting qubit-resonator system in the strong coupling regime under one- and two-photon driving. Our results provide clear experimental evidence for the controlled transition from an operating point governed by dipolar selection rules to a regime where one- and two-photon excitations of the artificial atom coexist. We find that the vacuum coupling between qubit and resonator can be straightforwardly extracted from the two-photon spectra where the detuned two-photon drive does not populate the relevant resonator mode significantly.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービット-レゾネータ系における対称性の破れが、1光子および多光子遷移の選択則に与える影響を調査すること。
• 電気双極子選択則支配の挙動から、2光子励起が可能になる領域への遷移を実証すること。
• レゾネータの励起が最小限に抑えられた状態で、2光子分光法のデータから真空中結合強度 $ g $ を抽出すること。
• 多光子駆動下における強い結合系を記述するためのJaynes-Cummingsハミルトニアンの適用可能性を検証すること。
• 非共鳴2光子駆動を用いた分散領域における結合レート測定法を確立すること。

提案手法

• 強い結合領域にあり、共面波ガイド（CPW）レゾネータに結合したフラックス調整可能な超伝導キュービットを用いた。
• レゾネータモードからずらしたマイクロ波駆動を用いて、1光子および2光子分光法を実施し、レゾネータの励起を最小限に抑えた。
• 分散的2光子分光法を用いて、キュービット-レゾネータ結合レート $ g $ を抽出した。この手法は、駆動がレゾネータモードを顕著に励起しないことに依存している。
• 透過スペクトルを分析して、真空中ラビ分裂および反クロスングを特定し、強い結合の確認を行った。
• キュービットのエネルギー準位分裂を調整するためのフラックスバイアス $ ilde{ heta} $ を適用し、対称性を破って2光子遷移を可能にした。
• 測定された準位スペクトルをJaynes-Cummingsハミルトニアンにフィットさせ、$ g $, $ \gamma $, および $ \kappa $ を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービットのフラックスバイアスを調整することで、1光子および2光子遷移の選択則にどのような影響を与えるか？
• RQ2 強い結合したキュービット-レゾネータ系において、2光子励起を位相的に制御可能にアクセスできるか。また、どのような対称性条件下で可能か？
• RQ3 レゾネータが顕著に励起されていない状態で、2光子分光法から真空中結合強度 $ g $ が信頼性を持って抽出可能か？
• RQ4 系の挙動が、電気双極子選択則支配の領域から、1光子および2光子遷移経路が混合する領域にどのように遷移するか？
• RQ5 2光子分光法から抽出した結合レートと、1光子透過および分光法から得たレートとの間の定量的整合性はいかほどか？

主な発見

• フラックスチューニングにより、電気双極子選択則支配の挙動から、1光子および2光子遷移が共存する領域への明確な遷移が観測された。
• 真空中ラビ分裂は $ \tilde{g}_3 / 2\pi = 77.4\,\text{MHz} $ として測定され、混合角 $ \sin\theta \approx 0.89 $ を考慮した結果、結合強度は $ g_3 / 2\pi \approx 87.0\,\text{MHz} $ となった。
• キュービットの崩壊レート $ \gamma / 2\pi \approx 43\,\text{MHz} $ は、分光信号のFWHMから抽出され、1光子分光法の結果と整合的であった。
• 2光子分光法により、ドライブがレゾネータモードを顕著に励起しないため、結合レート $ g $ のクリアな抽出が可能になった。これにより、レゾネータに起因する幅の拡大が最小限に抑えられた。
• 調和近似下で $ \omega_s = \omega_3 / 2 $ にフラックス依存性の特徴が観測されなかったことから、対称な状態では多光子遷移が抑制されていることが確認された。
• 2光子スペクトルにおける観測された反クロスングは、強い結合の直接的証明であり、解像された真空中ラビ分裂は、キュービットとレゾネータ間の位相的交換の確認を示している。