[논문 리뷰] Landau-Zener-Stuckelberg interferometry in multilevel superconducting flux qubit

Xueda Wen, Yiwen Wang외 8명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 10.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고강도, 고주파 수학적 드라이브 필드 하에서 다수의 에너지 준위를 가진 초전도 큐비트에서 Landau-Zener-Stuckelberg (LZS) 간섭에 대한 보편적인 이론적 프레임워크를 제시한다. 다중 준위를 포함하도록 LZS 이론을 확장함으로써, 실험적으로 관측된 복잡한 간섭 무늬를 설명하고 새로운 양자 현상을 예측함으로써 초전도 큐비트에서 정확한 매개변수 추출과 위상 분산 메커니즘 탐색이 가능해진다.

ABSTRACT

Landau-Zener-Stuckelberg interferometry has been extensively investigated in quantum two-level systems, with particular interests on artificial system such as superconducting flux qubits. With increasing the driving field amplitude, more energy levels will be involved into the quantum evolution, which results in population inversion and many interesting interference patterns. These interference patterns can be used to obtain the parameters characterizing the system and probe dephasing mechanisms of the qubit. Most recently, experiments have been extended to the regime with higher-frequency and larger-amplitude driving field, in which the interference pattern exhibited more complicated characteristics. In this article, we give a universal description of the characteristics observed in both low-frequency and high-frequency regimes. Besides explaining the already observed experimental results, our theoretical model predicted many interesting phenomenon, which can be demonstrated by future experiments.

연구 동기 및 목표

• 이중 준위 근사 이론을 초월하여 다수 준위를 가진 초전도 플럭스 큐비트에서 Landau-Zener-Stuckelberg 간섭에 대한 보편적인 이론적 기술을 개발하기 위해.
• 고강도, 고주파 드라이브 필드 하에서 실험적으로 관측된 복잡한 간섭 무늬를 설명하기 위해.
• 간섭 무늬 특성들을 통해 초전도 큐비트 시스템의 물리적 매개변수 정확하게 추출하고 위상 분산 메커니즘을 특성화하기 위해.
• 향후 실험에서 검증할 수 있는, 이중 준위 모델에 존재하지 않는 새로운 양자 현상을 예측하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 드라이브 하에서 초전도 플럭스 큐비트의 다수 준위를 포함하도록 Landau-Zener-Stuckelberg 이론을 확장하기 위해.
• 피하기적 수준 교차와 드라이브 필드 래핑 중 비어디아바틱 전이를 모델링하기 위해 시간에 따라 변화하는 해밀토니안을 사용하기 위해.
• 다중 전이 경로 간 간섭을 고려하여 다수 준위 시스템에 LZS 공식을 적용하기 위해.
• 다양한 드라이브 진폭과 주파수에서 인구 분포와 간섭 무늬를 수치적으로 시뮬레이션하기 위해.
• 저주파 및 고주파 영역에서 간섭 무늬에 대한 해석적 표현을 유도하기 위해.
• 기존 실험 데이터와 이론 예측을 비교하여 모델의 타당성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고강도 드라이브 하에서 다수 준위 효과가 초전도 플럭스 큐비트에서 Landau-Zener-Stuckelberg 간섭 무늬에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 두 개 이상의 준위가 동적으로 결합될 경우 LZS 간섭에서 어떤 보편적 특성이 나타나는가?
• RQ3 어떻게 간섭 무늬를 활용하여 큐비트 시스템의 물리적 매개변수를 추출할 수 있는가?
• RQ4 이중 준위 경우에 존재하지 않는, 다수 준위 영역에서 예측되는 새로운 양자 현상은 무엇인가?
• RQ5 고주파 및 고강도 드라이브 필드는 표준 LZS 간섭 행동을 어떻게 변화시키는가?

주요 결과

• 이론 모델은 최근 고강도, 고주파 드라이브 필드 하에서 관측된 복잡한 간섭 무늬를 성공적으로 설명한다.
• 모델은 이중 준위 근사에서 포착되지 않는, 다수 준위 영역에서의 인version과 비트리비얼한 간섭 무늬를 예측한다.
• 간섭 무늬가 시스템 매개변수에 민감함을 입증하여 큐비트 특성 분석을 위한 진단 도구로 활용 가능함을 보여준다.
• 단일 이론적 기술을 통해 다수 준위 시스템의 저주파 및 고주파 영역 간섭을 통합함으로써 보편성을 확보한다.
• 다중 경로 간섭과 수정된 위상 누적과 같은 새로운 양자 현상을 예측하며, 이는 실험적으로 검증 가능하다.
• 결과적으로 다수 준위 효과가 강한 드라이브 조건에서 표준 LZS 그림을 크게 변화시킴을 보여준다.