[論文レビュー] Strong coupling between a single-photon and a two-photon Fock state

Shuai-Peng Wang, Alberto Mercurio+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2024

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、調整されたフラックスキュービットを非線形結合器として用いた、超強結合型回路-QED系において、1光子状態と2光子フォック状態の間の強い結合を実証した。実験では、量子ラビ型の回避クロスイングを解像し、平均光子数が1未塔の状態で二次高調波生成を観測した。これにより、外部駆動場を必要としない、決定的でコherentな光子-光子相互作用が可能となった。

ABSTRACT

The realization of strong nonlinear coupling between single photons has been a long-standing goal in quantum optics and quantum information science, promising wide impact applications, such as all-optical deterministic quantum logic and single-photon frequency conversion. Here, we report an experimental observation of the strong coupling between a single-photon and a two-photon Fock state in an ultrastrongly-coupled circuit-QED system. This strong nonlinear interaction is realized by introducing a detuned flux qubit working as an effective coupler between two modes of a superconducting coplanar waveguide resonator. The ultrastrong light--matter interaction breaks the excitation number conservation, and an external flux bias breaks the parity conservation. The combined effect of the two enables the strong one--two-photon coupling. Quantum Rabi-like avoided crossing is resolved when tuning the two-photon resonance frequency of the first mode across the single-photon resonance frequency of the second mode. Within this new photonic regime, we observe the thresholdless second harmonic generation for a mean photon number below one. Our results represent a key step towards a new regime of quantum nonlinear optics, where individual photons can deterministically and coherently interact with each other in the absence of any stimulating fields.

研究の動機と目的

• 超伝導回路-QEDプラットフォームにおいて、1光子フォック状態と2光子フォック状態の間の強い非線形結合を達成すること。
• 従来の光学媒体では1光子レベルでの光子-光子相互作用が無視できるほど小さいという課題を克服すること。
• 外部刺激場や原子励起を必要とせず、個々の光子間の決定的でコherentな相互作用を実現すること。
• 個々の光子が超強結合による光物質相互作用を通じてコherently相互作用できる、量子非線形光学の新しい領域を探索すること。
• 平均光子数が1未塔の状態で二次高調波生成を観測し、強い有効光子-光子相互作用を示すこと。

提案手法

• 2つの異なるモード（n=1 および n=2）を持つ超伝導平面波ガイド共振器を、調整されたフラックスキュービットによって非線形結合器として機能させる。
• 超強結合を可能にし、励起数保存則を破るよう最適化されたジョセフソンエネルギーやチャージエネルギーオプションを備えた3ジョセフソン接合フラックスキュービットを用いた。
• パリティ対称性を破る外部フラックスバイアスを印加し、偶数・奇数光子状態間の遷移を可能にした。
• 裸状態 |2,0,g⟩ と |0,1,g⟩ 間の遷移行列要素が反クロス点で同等になるようにシステムを設計し、強い有効結合を実現した。
• 一般化されたマスター方程式と固有状態に基づく入出力関係を用いて、超強結合領域における時間発展および場のダイナミクスをモデル化した。
• マイクロ波分光法を用いて、1光子共鳴と2光子共鳴の間の回避レベルクロスイングを解像し、強い結合を確認した。

Figure 1: $|$ Setup. a, Schematic of the device. A flux qubit embedded in a ${\lambda}/{2}$ coplanar waveguide resonator, working as a nonlinear coupler between two modes of the resonator. The dashed cyan lines represent the vacuum current distribution of the $n=1$ ( ${\lambda}/{2}$ ) and $n=2$ ( $\

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路-QED系において、1光子フォック状態と2光子フォック状態の間の強い結合を実験的に実現できるか？
• RQ2 超強結合とパリティ破れが、1光子レベルでの有効光子-光子相互作用を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 平均光子数が1未塔の状態で二次高調波生成を観測できるか？ これは決定的光子融合を示唆する。
• RQ4 有効結合強度は損失と比較してどの程度の大きさであり、1光子から光子対への変換効率がほぼ100％に達する可能性があるか？
• RQ5 一般化量子ラビハミルトニアンは、超強結合領域における観測されたダイナミクスをどの程度正確に記述できるか？

主な発見

• 実験では、1モードの2光子共鳴と2モードの1光子共鳴の間で、量子ラビ型の回避クロスイングが解像され、強い結合が確認された。
• 平均光子数が1未塔の状態で二次高調波生成が観測され、1光子が決定的かつコherentに光子対に融合していることを示した。
• 有効結合強度 $ g_{\rm eff} $ は十分に大きく、周期 $ T_R = 2\pi / g_{\rm eff} $ のラビ振動を示しており、近い100％の変換効率の可能性を示唆している。
• 超強結合と破れたパリティの結果、偶数および奇数光子状態の両方が同時に混合する現象が観測され、一般化量子ラビモデルの特徴的性質であった。
• 主要状態 |2,0,g⟩ と |0,1,g⟩ 間の遷移行列要素の大きさはほぼ同等（~1）であり、大きなデチューニングにもかかわらず強い有効結合が実現された。
• 本結果は、外部駆動場や原子励起を必要とせず、個々の光子がコherentlyに相互作用できる、量子非線形光学の新しい領域を示しており、決定的量子オプティクス操作を可能にする。

Figure 2: $|$ Quantum Rabi-like splitting. Quantum Rabi-like splitting between a single photon and a photon pair. The left part in each panel (negative flux offset) reports the measured spectra. The corresponding calculated spectra are reported for positive flux offset (right), using the parity symm