[論文レビュー] Spin-boson model with an engineered reservoir in circuit quantum electrodynamics

M. Haeberlein, Frank Deppe+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、送信線に部分的反射板を埋め込み、バーストのスペクトル密度を整形することで、調整可能で設計されたバーストを有する回路量子電磁力学（circuit QED）においてスピン＝ボソン模型の実験的実現を示した。キュービットの共鳴蛍光を測定することで、ピークを持つスペクトル関数を有する非オーム的環境を設計し、自発的放出率を8倍に向上させた。これによりモデルの妥当性が裏付けられ、複雑な準粒子系の将来の量子シミュレーションが可能になった。

ABSTRACT

A superconducting qubit coupled to an open transmission line represents an implementation of the spin-boson model with a broadband environment. We show that this environment can be engineered by introducing partial reflectors into the transmission line, allowing to shape the spectral function, J({\\omega}), of the spin-boson model. The spectral function can be accessed by measuring the resonance fluorescence of the qubit, which provides information on both the engineered environment and the coupling between qubit and transmission line. The spectral function of a transmission line without partial reflectors is found to be Ohmic over a wide frequency range, whereas a peaked spectral density is found for the shaped environment. Our work lays the ground for future quantum simulations of other, more involved, impurity models with superconducting circuits.

研究の動機と目的

• 超伝導回路プラットフォームにおいて、制御可能で設計されたボソン的バーストを有するスピン＝ボソン模型の実現を目的とする。
• 送信線内に離散的な散乱体（部分的反射板）を用いて、環境のスペクトル密度 $J(\omega)$ を整形することを目的とする。
• キュービットの共鳴蛍光測定を用いて、設計された環境に実験的にアクセスし、その特徴を特徴づけることを目的とする。
• 共鳴器のラムシフトと蛍光データの両方から抽出した結合強度を照合することで、モデルの妥当性を検証することを目的とする。
• 強結合領域への遷移を探索し、マコビアン近似の破綻を評価することを目的とする。

提案手法

• 広帯域共鳴を生成するために、超伝導送信線に2つの部分的反射板を埋め込み、バーストの状態密度を変更する。
• フラックス調節可能な超伝導キュービットを、設計された送信線環境に結合されたスピン＝ボソン不純物として用いる。
• キュービットの共鳴蛍光を測定し、スペクトル関数 $J(\omega)$ を抽出する。ローレンツ線形のフィッティングを用いて、減衰率と結合強度を決定する。
• 遠く離れた周波数帯域におけるキュービットのラムシフトを理論的予測と照合することで、結合強度 $g$ の妥当性を検証する。
• 強結合領域におけるマコビアン近似の有効性を評価するため、臨界減衰率 $\kappa_{\text{crit}}$ を計算する。
• 送信線の固有インピーダンスと幾何学的形状を用いて、単一モード共鳴器に対する等価結合 $g_{\text{tra}}$ を計算し、測定された $g$ と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信線に埋め込まれた部分的反射板を有する超伝導キュービットは、制御可能で非オーム的スペクトル密度 $J(\omega)$ を実現できるか？
• RQ2 設計された環境は、キュービットの自発的放出率をどの程度向上させるか？
• RQ3 蛍光測定とラムシフト測定の両方から、キュービット＝環境結合強度をどの程度正確に抽出できるか？
• RQ4 この系において、マコビアン近似はどのような条件下で破綻するか？
• RQ5 この系は、Kondo領域に到達可能か。そのために必要な相互インダクタンスはどの程度か？

主な発見

• アンサンブルのない送信線のスペクトル関数は、広い周波数範囲でオーム的であることが判明し、理論的期待と整合的であった。
• 部分的反射板の導入により、環境がピークを持つスペクトル密度に整形され、非自明なバースト工学が可能になった。
• 自発的放出率が8倍に向上したことが観測され、強い非マコビアン効果とマコビアン近似の破綻を示した。
• 蛍光データから抽出した結合強度 $g \sin \theta = 216\ \text{MHz}$ は、送信線パラメータから計算された $g_{\text{tra}} = 233\ \text{MHz}$ とよく一致した。
• 臨界減衰率 $\kappa_{\text{crit}}$ の計算から、$\omega_0$ ではマコビアン近似が破綻する（$\kappa_{\text{crit}} = 233\ \text{MHz}$）一方、$\omega_0'$ では成立する（$\kappa_{\text{crit}} = 175\ \text{MHz}$）ことが示された。
• Kondo領域への到達には相互インダクタンス $200\ \text{pH}$ 必要であり、技術的に挑戦的だが実現可能であると推定された。