[논문 리뷰] In-situ frequency tuning of photons stored in a high Q microwave cavity

Martin Sandberg, C. M. Wilson외 5명|ArXiv.org|2008. 01. 16.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고Q 초전도성 평면파일드 웨이브가이드 공진기 내에 저장된 개별 마이크로파 광자를 SQUID 기반 조셉슨 인덕턴스를 동적으로 조절하여 현장에서 초고속 주파수 튜닝하는 것을 보여준다. 장치는 공진기의 광자 수명보다 빠른 10 ns 이내에 330 MHz 이상의 데튜닝을 달성하며, 이는 개별 광자 주파수의 위상 보존적 조작을 가능하게 하여 회로 양자 전기역학에서의 동적 큐비트 결합에 중요한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Photons are fundamental excitations of the electromagnetic field and can be captured in cavities. For a given cavity with a certain size, the fundamental mode has a fixed frequency f which gives the photons a specific "colour". The cavity also has a typical lifetime tau, which results in a finite linewidth delta f}. If the size of the cavity is changed fast compared to tau, and so that the frequency change Delta f >> delta f, then it is possible to change the "colour" of the captured photons. Here we demonstrate superconducting microwave cavities, with tunable effective lengths. The tuning is obtained by varying a Josephson inductance at one end of the cavity. We show tuning by several hundred linewidths in a time Delta t << tau. Working in the few photon limit, we show that photons stored in the cavity at one frequency will leak out from the cavity with the new frequency after the detuning. The characteristics of the measured devices make them suitable for dynamic coupling of qubits.

연구 동기 및 목표

• 동적 양자 연산을 위한 빠르고 현장에서의 주파수 제어가 가능한 조절 가능한 초전도성 마이크로파 공진기를 개발하는 것.
• 큐비트의 위상 보존성을 유지하기 위해 큐비트 조정 대신 공진기 기반 큐비트 상호작용을 가능하게 하여 결합 과정에서의 과제를 해결하는 것.
• 개별 광자가 소수 광자 영역에서 주파수 조절이 가능함을 입증하여 위상 보존적 광자 에너지 조작을 확인하는 것.
• 긴 광자 저장 시간을 위해 고내부 품질 인자(Q)를 유지하면서도 높은 조절 범위와 속도를 확보하는 것.
• 초전도 큐비트의 동적 결합을 위한 새로운 플랫폼과 비고전적 광자 상태 연구를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 400 nm 두께의 열적 SiO2 층이 있는 사파이어 기판 위에 1/4파장 초전도성 평면파일드 웨이브가이드(CPW) 공진기를 제작한다.
• 공진기의 한쪽 끝에는 하나 이상의 SQUID를 직렬로 연결하여 자기장 조절을 통해 조절 가능한 인덕턴스로 기능시킨다.
• SQUID 인덕턴스는 비선형 인덕턴스 식 $ L_s = \frac{\Phi_0}{4\pi I_c |\cos(\pi\Phi/\Phi_0)|} \sqrt{1 - \left(\frac{I}{2I_c \cos(\pi\Phi/\Phi_0)}\right)^2} $ 로 모델링되며, 이는 동적 주파수 튜닝을 가능하게 한다.
• 공진기를 마이크로파 반사도 측정을 통해 조사하며, 드라이브 신호를 사용하고 반사 계수 $ \Gamma = \frac{V_r}{V_d} $ 를 산란 행렬 형식으로 측정한다.
• 빠른 플럭스 펄스(최소 10 ns, 상승 시간 약 3 ns)를 SQUID에 인가하여 공진기 주파수를 급격히 데튜닝하고, 시스템의 반응을 실시간으로 측정한다.
• 열적 광자 점유를 최소화하기 위해 시스템은 20 mK에서 작동시켜 소수 광자 영역에 접근 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고Q 공진기 내에 저장된 개별 마이크로파 광자의 주파수를 위상 보존성을 해치지 않고 실시간으로 튜닝할 수 있는가?
• RQ2 주파수 데튜닝 과정에서 여전히 위상 보존적 광자 에너지 전달이 가능한 최소 시간 스케일은 무엇인가?
• RQ3 고내부 품질 인자와 낮은 산산화 손실을 유지하면서 공진기 주파수는 어느 정도까지 데튜닝할 수 있는가?
• RQ4 이 튜닝 메커니즘을 사용해 저장된 광자를 위상 보존적으로 압축하거나 확장하여 효과적으로 에너지를 변화시킬 수 있는가?
• RQ5 튜닝 속도가 공진기의 광자 수명과 비교하여 어떻게 되며, 이는 동적 양자 제어에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 4.9 GHz 공진기에서 최대 700 MHz의 주파수 데튜닝을 달성하였으며, 이는 250개 이상의 라인폭을 초과하여 넓은 튜닝 범위를 입증한다.
• 10 ns 펄스(상승 시간 3 ns)로 330 MHz의 데튜닝을 달성하여, 공진기의 광자 수명보다 훨씬 빠른 튜닝 속도임을 확인한다.
• 소수의 펄스 진폭 제한으로 인한 약간의 열화가 있었음에도 불구하고, 높은 내부 Q 인자 값을 유지하며 이론적 예측과 유사한 측정 Q 값을 확보한다.
• 평균 광자 수 약 5인 소수 광자 영역에서, 데튜닝 후 광자가 새로운 공진기 주파수에 적응하는 것이 관측되어 개별 광자의 위상 보존적 주파수 튜닝을 확인한다.
• 빠른 플럭스 펄스를 통해 공진기 주파수를 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 이는 저장된 광자 에너지의 이중 방향 튜닝을 가능하게 한다.
• 부분적인 펄스 라인의 반사로 인해 다중 반사 패턴이 관측되었지만, 핵심적인 빠른 진동은 나노초 스케일에서 잘 분해되어 있음을 확인한다.