[論文レビュー] Superradiant Hybrid Quantum Devices

Andreas Angerer, Kirill Streltsov+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 40被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、超伝導共振器とダイヤモンド中の高密度な窒素空孔（NV）中心の集合を組み合わせたハイブリッド量子系において、Dicke超放射を実証した。この系では、単一のNV中心の自然放射率と比較して、超放射パルスの放出速度が約1兆倍速くなった。この現象は、放射強度の非線形的N²比例関係によって確認され、高速共振器限界と一貫した結合が可能となり、固体状態超放射メーザーの基盤を築いた。

ABSTRACT

Superradiance is the archetypical collective phenomenon where radiation is amplified by the coherence of emitters. It plays a prominent role in optics, where it enables the design of lasers with substantially reduced linewidths, quantum mechanics, and is even used to explain cosmological observations like Hawking radiation from black holes. Hybridization of distinct quantum systems allows to engineer new quantum metamaterials pooling the advantages of the individual systems. Superconducting circuits coupled to spin ensembles are promising future building blocks of integrated quantum devices and superradiance will play a prominent role. As such it is important to study its fundamental properties in hybrid devices. Experiments in the strong coupling regime have shown oscillatory behaviour in these systems but a clear signature of Dicke superradiance has been missing so far. Here we explore superradiance in a hybrid system composed of a superconducting resonator in the fast cavity limit inductively coupled to an inhomogeneously broadened ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centres. We observe a superradiant pulse being emitted a trillion of times faster than the decay for an individual NV centre. This is further confirmed by the non-linear scaling of the emitted radiation intensity with respect to the ensemble size. Our work provides the foundation for future quantum technologies including solid state superradiant masers.

研究の動機と目的

• 超伝導回路とスピン集合を組み合わせたハイブリッド量子系において、Dicke超放射を実証すること。
• デ coherent な放射を促進するため、減衰を抑える高速共振器限界で動作させ、集団的放射を実現すること。
• 集団的超放射崩壊の特徴である、集合体サイズに比例する非線形的強度スケーリングを観測すること。
• 将来的な固体状態超放射メーザーや量子メタマテリアルの基盤を、ハイブリッド量子デバイスを用いて構築すること。

提案手法

• 高速共振器限界（κ ≫ γ, g）で動作する3次元ラumped-エレメント超伝導共振器を用い、結合を強化し、位相崩壊を抑制する。
• 磁場の調整を用いて、不均一な幅を持つダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心の集合体（1〜4個のサブエナサンブル）に誘導結合を実現する。
• マイクロ波駆動と光学的読み出しを用い、スピン集団のダイナミクスをモニタリングし、蛍光検出により集団的放射を測定する。
• マスター方程式におけるキャビティモードの断熱的消去を適用し、有効スピンハミルトニアンを導出し、放射の非線形的N²比例を予測する。
• Lindblad超演算子を用いたTavis-Cummingsハミルトニアンを用いて、キャビティの減衰（κ）、スピンの緩和（γ∥）、位相崩壊（γ⊥）をモデル化する。
• 回転フレームと定常状態近似（ȧ = 0）を用い、有効スピンハミルトニアンと損失チャネルを導出し、超放射的挙動を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的に達成可能な条件下で、超伝導回路とスピン集合のハイブリッド系において、Dicke超放射を観測できるか？
• RQ2 この系の集団的放射が、超放射の特徴的N²比例を示し、協同的増幅を確認できるか？
• RQ3 高速共振器限界が、不均一な幅がある中でも、位相崩壊を抑制し、超放射パルスの観測を可能にする仕組みは何か？
• RQ4 磁場のずれなどの実験的不完全要因が、放射の非線形的スケーリングに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 この系は、スケーラブルな固体状態超放射メーザーの基盤として利用可能か？

主な発見

• 単一のNV中心の自然放射率と比較して、約1兆倍速い崩壊レートを示す超放射パルスが観測された。
• 放射強度が集合体サイズに非線形的に比例し、I ∝ N²に従うことが確認され、Dicke超放射の直接的証拠となった。
• 磁場のずれなどの実験的不完全要因によりN²比例からわずかに逸脱するが、非線形的スケーリングは実験的に確認された。
• 高速共振器限界（κ ≫ γ, g）が、コheren ceを維持し、超放射放射の観測を可能にする上で不可欠であった。
• スピン系の光学的読み出しにより、集団的放射ダイナミクスと整合する、急速なスピン集団の崩壊が確認された。
• 断熱的消去とLindbladマスター方程式を用いた理論的モデリングにより、観測された超放射挙動と非線形的スケーリングがうまく再現された。