[논문 리뷰] Coherent photons and macroscopic cat states generated by a cyclic artificial atom with broken symmetry

C. P. Sun, Yu-xi Liu외 2명|ArXiv.org|2005. 06. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비대칭을 가진 초전도성 인공 원자와 $Δ$-형태(순환) 전이를 이용하여 비고전적 마이크로파 광자 상태 및 매크로스코픽 셰레딩어 고양이 상태를 생성하는 방법을 제안한다. 대칭성이 깨진 삼준태 시스템에 두 개의 고전적 마이크로파 장을 적용함으로써, 체계는 공명 인력 전이를 가능하게 하고 양자화된 단일 모드 장에 대한 효과적 드라이빙을 가능하게 하여, 큰 떨어짐 조건에서도 제어 가능한 비고전적 빛을 생성한다. 이는 기본 상태와 저에너지 상태를 주로 사용함으로써 안정성이 확보된다.

ABSTRACT

We propose a novel method to generate non-classical states of a single-mode microwave field, and to produce macroscopic cat states by virtue of a three-level system with $Δ$-shaped (or cyclic) transitions. This exotic system can be implemented by a superconducting quantum circuit with a broken symmetry in its effective potential. Using the cyclic population transfer, controllable single-mode photon states can be created in the third transition when two classical fields are applied to induce the other two transitions. This is because, for large detuning, two classical fields are equivalent to an effective external force, which derives the quantized single mode. Our approach is valid not only for superconducting quantum circuits but also for any three-level quantum system with $Δ$-shaped transitions

연구 동기 및 목표

• 비대칭성을 가진 삼준태 양자 체계에서 단일 및 이중 광자 전이의 공존을 탐구한다.
• 초전도성 인공 원자를 이용한 비고전적 마이크로파 광자 상태 생성을 위한 강건한 방법을 개발한다.
• 양자화된 장과 연결된 삼준태 체계에서 순환 인력 전이를 통해 매크로스코픽 셰레딩어 고양이 상태를 생성하는 것을 입증한다.
• 순환 전이 메커니즘의 적용 범위를 원자 시스템을 초월하여 설계된 양자 회로로 확장한다.
• 큰 떨어짐 영역에서 고전적 장로부터 파생된 효과적 외부 힘을 이용한 양자 상태 공학을 위한 제어 가능한 플랫폼을 제공한다.

제안 방법

• 마이크로파 장에 의해 유도된 $Δ$-형태 전이를 가진 삼준태 인공 원자로 초전도성 플럭스 큐비트를 모델링한다.
• 고전적 드라이빙 장과 원자 전이 사이의 큰 떨어짐을 이용하여 흥분 상태를 아디아바틱하게 제거함으로써, 양자화된 장에 대한 효과적 드라이빙 해밀토니안을 도출한다.
• 프로플리히-나카지마 변환을 적용하여 2차 펌프테이션 이론까지의 효과적 해밀토니안을 유도하고, 기본 상태와 첫 번째 흥분 상태의 동역학을 분리한다.
• 연산자 $S$ 를 결정하기 위해 조건 $H_I + [H_0, S] = 0$ 를 사용함으로써, 2차 에너지 보정과 양자화된 장에 대한 효과적 결합을 가능하게 한다.
• 기저 $|n\rangle$ 에서 효과적 해밀토니안 $H_\lambda \cong H_0 + \frac{1}{2}[H_I, S]$ 를 구성하며, 여기서 $H_0$ 는 대각형이고 $H_I$ 는 비대각항을 포함한다.
• 효과적 동역학에서의 에너지 이동을 고려하기 위해 자가에너지 보정 $\sum_{l \neq n} \frac{|\langle l|H_I|n\rangle|^2}{E_n - E_l}$ 을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭성과 $Δ$-형태 전이를 가진 초전도성 인공 원자를 이용하여 비고전적 마이크로파 광자 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 큰 떨어짐 영역에서 두 개의 고전적 장을 적용할 경우, 어떻게 양자화된 단일 모드 장에 대한 효과적 드라이빙이 이루어지는가?
• RQ3 순환 인력 전이의 역할은 매크로스코픽 셰레딩어 고양이 상태 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 대칭성이 없는 조건이 이러한 체계에서 단일 및 이중 광자 전이의 공존을 가능하게 하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 펌프테이션 이론을 통해 유도된 효과적 해밀토니안이 큰 떨어짐 근처에서 체계의 동역학을 어느 정도 정확하게 기술하는가?

주요 결과

• 두 개의 고전적 장을 통해 삼준태 사이의 인력 전이가 공명적으로 이루어져, 양자화된 마이크로파 장의 양자 상태를 제어할 수 있다.
• 큰 떨어짐 조건에서 흥분 상태가 아디아바틱하게 제거되어, 양자화된 단일 모드 장에 결합하는 효과적 드라이빙 장이 도출된다.
• 펌프테이션 이론의 2차까지의 효과적 해밀토니안 $H_\lambda$ 는 기본 상태와 첫 번째 흥분 상태의 동역학을 성공적으로 기술한다.
• 자기에너지 항 $\sum_{l \neq n} \frac{|\langle l|H_I|n\rangle|^2}{E_n - E_l}$ 은 2차 에너지 보정을 제공하여 효과적 동역학의 안정성을 높인다.
• 이 방법은 저온에서 환경에 의한 디코herence 를 최소화하기 위해 주로 기본 상태와 저에너지 상태에서 작동하므로 강건성이 확보된다.
• 이 방법은 초전도 회로에 국한되지 않고, $Δ$-형태 전이를 가진 임의의 삼준태 체계에 일반화 가능하다.