[論文レビュー] Spectroscopic observation of the crossover from a classical Duffing oscillator to a Kerr parametric oscillator

T. Yamaji, Saya Kagami+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 41被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、dc-SQUIDのフラックスバイアスを調整することで、1つの超伝導回路内で古典的ダフィング振動子から量子Kerrパラメトリック振動子（KPO）への連続的クロスオーバーを実証した。Kerr非線形性とフォトン損失率の比を制御することで、低非線形性では古典的挙動を示し、単一光子Kerr領域に移行すると、明確な0またはπ位相状態を持つパラメトリック振動が出現する。外部信号による制御が可能であり、量子情報処理への応用が期待される。

ABSTRACT

We study microwave response of a Josephson parametric oscillator consisting of a superconducting transmission-line resonator with an embedded dc-SQUID. The dc-SQUID allows to control the magnitude of a Kerr nonlinearity over the ranges where it is smaller or larger than the photon loss rate. Spectroscopy measurements reveal the change of the microwave response from a classical Duffing oscillator to a Kerr parametric oscillator in a single device. In the single-photon Kerr regime, we observe parametric oscillations with a well-defined phase of either $0$ or $\pi$, whose probability can be controlled by an externally injected signal.

研究の動機と目的

• 非線形性とフォトン損失率の相対的調整により、パラメトリック振動子における古典的領域と量子的領域の遷移を調査すること。
• 1つのデバイス内で古典的ダフィング振動子からKerrパラメトリック振動子（KPO）へのクロスオーバーを観測し、特徴づけること。
• 単一光子Kerr領域における位相制御可能なパラメトリック振動を実証し、振動の位相（0またはπ）を外部から操作可能であることを示すこと。
• 量子領域におけるKerr非線形性に起因する離散的エネルギー準位シフトの実験的証明を提供し、高精度な分光的キャリブレーションを可能とすること。

提案手法

• dc-SQUIDを埋め込んだ超伝導トランスミッションライン共振器を用いて、可変Kerr非線形性を有するジョセフソンパラメトリック振動子（JPO）を実現した。
• dc-SQUIDのフラックスバイアスにより、Kerr非線形性の大きさを全フォトン損失率（κtot）に対して制御し、|K| < κtot（ダフィング）から|K| > κtot（KPO）への連続的クロスオーバーを可能にした。
• 1音色および2音色分光法を用いて、プローブ電力および駆動周波数の関数として、共鳴周波数シフトおよび遷移エネルギーのシフトを測定した。
• 熱雑音を最小限に抑えるために、デバイスを10 mK未満まで冷却し、量子領域での動作を可能にした。
• 理論的モデルには、ハミルトニアン H/ℏ = ωr(f)a†a + K(f)/2 a†a†aa を用い、K(f)はフラックスで調整可能で負の値をとり、損失率は入出力理論から導出した。
• 位相ロックされたパラメトリック振動の測定には、弱い信号を注入し、信号電力の関数として0またはπ位相状態の確率を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerr非線形性をフォトン損失率に対して調整することで、ジョセフソンパラメトリック振動子のマイクロ波応答はどのように変化するか？
• RQ2 外部制御により、1つのデバイスが古典的ダフィング振動子の挙動と量子Kerrパラメトリック振動子の挙動の両方を示すことができるか？
• RQ3 超伝導共振器において、単一光子Kerr領域と古典的領域を区別する分光的特徴は何か？
• RQ4 単一光子Kerr領域において、パラメトリック振動の位相（0またはπ）を外部から制御可能か？
• RQ5 2音色分光法における離散的エネルギー準位シフトは、量子領域における強いKerr非線形性の存在をどのように裏付けているか？

主な発見

• フラックスバイアスがゼロ（f = 0.00）のとき、連続的でプローブ電力依存の共鳴周波数シフトを示し、|K| < κtot であることを確認した。
• フラックスバイアスを増加させると、システムは単一光子Kerr領域に移行し、2フォトン遷移周波数（ω02/2）の離散的シフトが観測された。これは |K| > κtot を示している。
• 単一光子Kerr領域では、明確な0またはπ位相状態を持つパラメトリック振動が観測され、外部から注入された信号により各状態の確率が制御可能であることが示された。
• 信号電力の範囲にわたる位相ロックが実証された：−89 dBmではπ状態の確率が約0.8、−95 dBmでは0.5に低下、−101 dBmでは0.2にまで低下した。
• f = 0.00における測定共鳴周波数は ωr/2π = 11.742 GHz、κe/2π = 0.85 MHz、κi/2π = 1.01 MHz であり、低損失および高コhereneyを確認した。
• 本デバイスは1つのプラットフォーム上で古典的から量子的挙動への連続的クロスオーバーを実現し、異なる領域間でのダイナミクスの直接比較が可能となった。