[논문 리뷰] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit

Yutaka Tabuchi, Seiichiro Ishino외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 14.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터 크기의 페로자성 절연체인 이트륨 철 산화물(YIG) 구구와 초전도 큐비트 사이에 마이크로파 공진기(공진기)를 통해 강한, 일관된 결합을 구현함으로써, 21.0 MHz의 결합 강도를 달성하였으며, 이는 고유의 면역성과 공진기의 감쇠율을 초월함을 보여줌. 이 시스템은 강한 결합 영역에서 작동하여, 조절 가능한 파라메트릭 드라이브를 통한 면역자기 진동수의 양자 제어를 가능하게 하여 양자 면역학의 기초를 다짐.

ABSTRACT

Rigidity of an ordered phase in condensed matter results in collective excitation modes spatially extending in macroscopic dimensions. Magnon is a quantum of an elementary excitation in the ordered spin system, such as ferromagnet. Being low dissipative, dynamics of magnons in ferromagnetic insulators has been extensively studied and widely applied for decades in the contexts of ferromagnetic resonance, and more recently of Bose-Einstein condensation as well as spintronics. Moreover, towards hybrid systems for quantum memories and transducers, coupling of magnons and microwave photons in a resonator have been investigated. However, quantum-state manipulation at the single-magnon level has remained elusive because of the lack of anharmonic element in the system. Here we demonstrate coherent coupling between a magnon excitation in a millimetre-sized ferromagnetic sphere and a superconducting qubit, where the interaction is mediated by the virtual photon excitation in a microwave cavity. We obtain the coupling strength far exceeding the damping rates, thus bringing the hybrid system into the strong coupling regime. Furthermore, we find a tunable magnon-qubit coupling scheme utilising a parametric drive with a microwave. Our approach provides a versatile tool for quantum control and measurement of the magnon excitations and thus opens a new discipline of quantum magnonics.

연구 동기 및 목표

• 자기적 불순도를 띤 절연체의 면역자기 모드와 초전도 큐비트 사이에 양자 정보 응용을 위한 일관되고 강한 결합을 달성하기 위해.
• 단일 면역자기 진동수의 약한 결합 문제를 해결하기 위해 집단적인 면역자기 진동수와 큐비트의 비선형성을 활용하기 위해.
• 파라메트릭 마이크로파 드라이브를 통해 동적 제어가 가능한 조절 가능한 결합을 구현하기 위해.
• macroscopic 스핀 진동수와 초전도 회로를 조합한 하이브리드 양자 시스템을 구축하여, 양자 상태 조작을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 트랜스몬 유형의 초전도 큐비트가 마이크로파 공진기 모드(TE102)에 결합되어, 큐비트와 YIG 구구의 Kittel-모드 면역자기 진동수 사이의 상호작용을 매개함.
• YIG 구구(0.5 mm 지름)는 높은 스핀 밀도(N ≈ 1.4×10^18)를 지닌 일관되고 낮은 손실의 면역자기 모드를 지니며, 이는 결합 강도를 증가시킴.
• 결합은 공진기 내의 가상 광자 교환을 통해 이루어지며, 큐비트와 면역자기 진동수 간의 간접적 상호작용을 통해 직접적인 큐비트-면역자기 결합을 피함.
• 파라메트릭 마이크로파 드라이브를 사용하여 조절 가능한 결합을 실현함으로써, 효과적인 면역자기-큐비트 상호작용 강도를 동적으로 제어 가능.
• 이론적 모델링은 큐비트-공진기, 공진기-면역자기, 큐비트-면역자기 상호작용을 포함하는 해밀토니안을 사용하며, 보존 근사와 잔류 상호작용의 섭동 처리를 적용함.
• 파라메트릭 드라이브 하에서 Kittel-모드 스펙트럼의 수치 시뮬레이션은 관측된 듀엣과 라비 분할을 재현하여 모델의 타당성을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대한 페로자성 절연체 내 면역자기 모드가 양자 영역에서 초전도 큐비트와 일관되게 결합될 수 있는가?
• RQ2 면역자기와 초전도 큐비트 사이의 가시 결합 강도는 얼마이며, 이는 분해산율을 초월하여 강한 결합 영역에 진입하는가?
• RQ3 파라메트릭 마이크로파 드라이브를 사용하여 면역자기-큐비트 결합을 동적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 잔류 상호작용의 역할은 무엇이며, 관측된 스펙트럼 특징에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 면역자기-큐비트 결합 강도는 21.0 MHz로 측정되었으며, 면역자기 라인폭(1.4 MHz)과 공진기 라인폭(2.5 MHz)을 모두 초월하여 강한 결합 영역에서의 작동을 확인함.
• 스펙트럼에서 명확한 반교차 현상이 관측되어 면역자기 모드와 공진기 모드 간의 일관된 에너지 교환을 나타냄.
• 4.3 MHz만큼 떨어져 있는 두 번째 자기정적 모드가 공진기와 4.2 MHz의 강도로 결합되어 스펙트럼 분할에 기여함.
• 파라메트릭 드라이브를 통해 조절 가능한 결합이 가능하며, 드라이브 전력과 효과적 결합 강도 간의 변환 비율은 4.0 ± 0.4 MHz/pW임.
• 잔류 결합 -2.5 MHz(측정값)가 관측되어 큐비트 상태에 따라 Kittel-모드 주파수가 이동함을 확인하였으며, 이는 수치 시뮬레이션과 일치함.
• 수치 시뮬레이션은 파라메트릭 드라이브 하에서 실험적 듀엣과 이중 광자 라비 분할을 재현하여 이론 모델의 타당성을 검증함.