[論文レビュー] Topological lattices realized in superconducting circuit optomechanics

Amir Youssefi, S. Kono+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、1次元鎖におけるSu-Schrieffer-Heeger (SSH) モデルと2次元蜂巣格子における歪みのあるグラフェンモデルを実現することで、超伝導回路オプトメカニカル格子において位相的性質を持つマイクロ波モードを実証した。内在的なオプトメカニカル相互作用を用いて、局所的プローブを用いずに集団モード関数を直接測定し、全ハミルトニアンの再構成と不純物の特徴付けを可能にした。ハイブリダイゼーション係数 ζ = 0.98 を達成し、周波数不純物が非常に小さい（σΔω ≈ 0.01–0.38%）ことを示した。

ABSTRACT

Cavity optomechanics enables controlling mechanical motion via radiation pressure interaction, and has contributed to the quantum control of engineered mechanical systems ranging from kg scale LIGO mirrors to nano-mechanical systems, enabling ground-state preparation, entanglement, squeezing of mechanical objects, position measurements at the standard quantum limit and quantum transduction. Yet, nearly all prior schemes have employed single- or few-mode optomechanical systems. In contrast, novel dynamics and applications are expected when utilizing optomechanical lattices, which enable to synthesize non-trivial band structures, and have been actively studied in the field of circuit QED. Superconducting microwave optomechanical circuits are a promising platform to implement such lattices, but have been compounded by strict scaling limitations. Here, we overcome this challenge and demonstrate topological microwave modes in 1D circuit optomechanical chains realizing the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model. Furthermore, we realize the strained graphene model in a 2D optomechanical honeycomb lattice. Exploiting the embedded optomechanical interaction, we show that it is possible to directly measure the mode functions of the hybridized modes without using any local probe. This enables us to reconstruct the full underlying lattice Hamiltonian and directly measure the existing residual disorder. Such optomechanical lattices, accompanied by the measurement techniques introduced, offers an avenue to explore collective, quantum many-body, and quench dynamics, topological properties and more broadly, emergent nonlinear dynamics in complex optomechanical systems with a large number of degrees of freedoms. (Keywords: Quantum Optomechanics, Superconducting Circuit Electromecahnics)

研究の動機と目的

• 超伝導オプトメカニカル格子におけるスケーリング制限を克服するため、同一のオプトメカニカルユニットをサイト単位で設計可能にする。
• 超伝導マイクロ波回路を用いて、1次元におけるSSHモデルと2次元における歪みのあるグラフェンモデルを含む位相的バンド構造を実現する。
• 局所的プローブを用いずに、サイト内オプトメカニカル相互作用を用いて集団的マイクロ波モード形状を直接測定する方法を開発する。
• 間接的プローブに依存せずに、マルチモードオプトメカニカル系における全格子ハミルトニアンの再構成と残存不純物の定量的評価を実現する。

提案手法

• スティッチャー結合を有する10ユニットの1次元超伝導オプトメカニカルユニット鎖をフォトニクスで作製し、SSHモデルを実現することで位相的エッジ状態を実現した。
• 歪みのあるグラフェンモデルを模倣する2次元蜂巣オプトメカニカル格子を構築し、位相的に保護されたエッジモードを支持した。
• 内在的なオプトメカニカル結合を用いて、機械的変位の測定によりマイクロ波モードプロファイルをマッピングし、外部プローブを回避した。
• ハイブリダイゼーション係数 ζ を用いてエッジモードの局在度を定量化し、これは鎖の両端における最小値と最大値の参加比として定義された。
• 4000回のランダム不純物実現について統計解析を実施し、測定された ζ とキャビティ周波数不純物 σΔω の相関関係を評価した。
• ベクトルネットワークアナライザ (VNA) の S パラメータを透過および反射両方で用い、鎖の両端から異なるエッジ状態の局在度を実験的に確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイト別制御が可能な超伝導回路オプトメカニカル格子において、位相的相を実現できるか？
• RQ2 内在的なオプトメカニカル相互作用が、局所的プローブを用いずに集団的マイクロ波モード関数を直接測定可能か？
• RQ3 キャビティ周波数の不純物が、位相的エッジモードのハイブリダイゼーションおよび局在度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 測定されたモード形状から、マルチモードオプトメカニカル格子の全ハミルトニアンを再構成できるか？
• RQ5 SSH鎖の長さが、周波数不純物に対して位相的エッジ状態のロバストネスに与える影響はいかほどか？

主な発見

• 10セルのSSH鎖では、測定されたハイブリダイゼーション係数 ζ^meas = 0.98 を示し、位相的エッジモードの強い共局在度を示した。
• これは90%信頼区間で、キャビティ周波数不純物範囲 σΔω = (0.01%, 0.38%) に対応し、極めて低い残存不純物を示唆した。
• 反射測定によりエッジ状態が実験的に確認された：各端から1つのピークしか観測されず、単一エッジ局在度が確認された。
• 透過スペクトルでは、エッジモードが一方の端に局在しているにもかかわらず、高いエッジ電流密度にもかかわらず、通常は非常に低い透過率を示した。
• ハイブリダイゼーション係数 ζ は不純物が増加するに従い急激に減少し、同じ不純物レベル下でも、より長い鎖（例：20セル鎖）ではより感受性が高かった。
• 本手法により、間接的プローブ技術の制限を克服し、直接的なモード形状測定から全格子ハミルトニアンの再構成が可能になった。