[논문 리뷰] Atoms Talking to SQUIDs

Jennifer E. Hoffman, Jeffrey A. Grover외 11명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 87Rb 원자를 초전도성 플럭스 큐비트 또는 LC 공진기와 자화쌍극자 상호작용을 통해 하이브리드 양자 시스템으로 결합하는 방법을 제안한다. 기존 초전도성 칩 위 10 μm 높이에 에바네센트 광섬유 트랩을 이용해 원자를 포획함으로써, 강한 결합(~34.6 Hz/원자)을 실현하고, 초전도 큐비트의 전하 노이즈 및 비어룸화 메커니즘을 탐색할 수 있는 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

We present a scheme to couple trapped $^{87}$Rb atoms to a superconducting flux qubit through a magnetic dipole transition. We plan to trap atoms on the evanescent wave outside an ultrathin fiber to bring the atoms to less than 10 $μ$m above the surface of the superconductor. This hybrid setup lends itself to probing sources of decoherence in superconducting qubits. Our current plan has the intermediate goal of coupling the atoms to a superconducting LC resonator.

연구 동기 및 목표

• 중성 원자의 장수명 양자 상태와 초전도 회로의 확장성 특성을 결합한 하이브리드 양자 프로세서 개발
• 포획된 원자를 전하 노이즈에 대한 민감한 탐지수단으로 활용하여 초전도 큐비트의 비어룸화 원인을 연구하기
• 원자 하이퍼파인 전이와 초전도 공진기 또는 플럭스 큐비트 사이의 강한 결합 구현
• 에바네센트 광섬유 트랩을 이용해 원자를 초전도 장치 근처에 포획함으로써 확장 가능한 아키텍처 구현
• 리드버그 원자를 전기장 센서로 활용하여 초전도 회로 내 미세한 비어룸화 원인을 특정하기

제안 방법

• 초전도 칩 위 약 10 μm 높이에 이중색 에바네센트 파동 광섬유 트랩(TOF)을 이용해 87Rb 원자를 포획
• 초전도 LC 공진기를 사용하여 87Rb의 6.863 GHz 하이퍼파인 분열에 맞추어 초기 결합을 수행
• 고주파 전자기 시뮬레이션(HFSS)을 활용해 자기장 분포를 모델링하고 공진기와의 결합 최적화
• 자기쌍극자 상호작용 해밀토니안 $ H_{int} = -\bm{\nu}_i \cdot \bm{B} $ 를 통해 결합 강도 계산; $ \bm{B} $ 는 단일 광자 및 플럭스 양자장에서 유도
• 광손실을 최소화하기 위해 광학적 터널링 조건 $ \Omega < \frac{\rho(\beta_1 - \beta_2)}{2\pi} $ 를 만족시키는 점진적 톱니형 광섬유(TOF) 설계
• 공진기와 연결된 마이크로파 전송선을 사용해 광자 유도 전이 측정 및 결합 효율 측정

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 87Rb 원자가 자화쌍극자 전이를 통해 초전도 플럭스 큐비트에 인코herent하게 결합될 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 아키텍처에서 단일 원자와 초전도 공진기 또는 플럭스 큐비트 사이의 실현 가능한 결합 강도는 얼마인가?
• RQ3 초전도 LC 공진기에서 발생하는 자기장 분포가 원자 자화쌍극자 모멘트와의 결합에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 초전도 회로 근처에 포획된 원자가 전하 노이즈 및 기타 비어룸화 원인에 대한 민감한 탐지수단으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 광섬유 기반 원자 포획 시스템에서 광손실을 최소화하고 결합 강도를 극대화하기 위한 최적의 기하학적 및 재료적 파rameter는 무엇인가?

주요 결과

• HFSS 시뮬레이션을 통해 초전도 인덕터 위 5 μm 높이에서 단일 87Rb 원자와 단일 마이크로파 광자 간의 결합 강도를 약 34.6 Hz로 추정
• 공진기의 효과적 모드 부피는 $ 10 \times 10^{-16} \, \text{m}^3 $ 으로 추정되며, 이는 초전도 구조 근처의 강한 자기장 농축과 일치
• 12 mK 및 6.863 GHz 조건에서 LC 공진기의 적재 품질 인자는 40,000이며, 공진 조건에서 마이크로파 전송에 1.5 dB의 감쇄가 관측됨
• 섬유 표면 위 138 nm 높이에서의 카시미어-폴더 퍼텐셜은 트랩 깊이를 7.43 mK로 유도하며, 이는 무시할 만한 이격(0.03 mK)과 1 nm 간격의 포획 위치를 제공함
• 공진기 내 한 광자에서 기인하는 자기장은 $ 2.47 \times 10^{-9} \, \text{T} $ 로 계산되었으며, 이는 이러한 시스템의 기대되는 양자 한계와 일치함
• 톱니형 광섬유의 점진적 조건이 터널링 각도 및 반경을 적절히 제어할 경우 충족되어 모드 누출 및 초전도체의 가열을 최소화함