[논문 리뷰] Multi-photon sideband transitions in an ultrastrongly-coupled circuit quantum electrodynamics system

Zhe Chen, Yimin Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 04.

Quantum Information and Cryptography인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 초전도성 플럭스 큐비트가 평면파이프 공진기와 결합된 초강력 결합 조건에서 다중광자 사이드밴드 전이를 실험적으로 관측한다. 결합 강도는 공진기 기본 주파수의 약 10%에 도달하였으며, 전송 스펙트로스코피를 통해 뚜렷한 고차수 레드사이드밴드 및 일阶 블루사이드밴드 전이가 관측되었다. 이는 강력하게 구동되는 초강력 결합 양자 시스템에 대한 이해를 심화시킨다.

ABSTRACT

Ultrastrong coupling in circuit quantum electrodynamics systems not only provides a platform to study the quantum Rabi model, but it can also facilitate the implementation of quantum logic operations via high-lying resonator states. In this regime, quantum manifolds with different excitation numbers are intrinsically connected via the counter-rotating interactions, which can result in multi-photon processes. Recent experiments have demonstrated ultrastrong coupling in superconducting qubits electromagnetically coupled to superconducting resonators. Here we report the experimental observation of multiphoton sideband transitions of a superconducting flux qubit coupled to a coplanar waveguide resonator in the ultrastrong coupling regime. With a coupling strength reaching about 10% of the fundamental frequency of the resonator, we obtain clear signatures of higher-order red-sideband transitions and the first-order blue-sideband transition in a transmission spectroscopic measurement. This study advances the understanding of driven ultrastrongly-coupled systems.

연구 동기 및 목표

• 초강력 결합 회로 양자전기역학(cQED) 시스템에서 다중광자 과정을 연구하기 위해.
• 다른 에너지 상태 수를 가진 양자 만델라 간의 연결을 가능하게 하는 반대방향 상호작용의 역할을 탐색하기 위해.
• 초강력 결합 조건에서 초전도 큐비트-공진기 시스템에서 고차수 사이드밴드 전이를 실험적으로 증명하기 위해.
• 조정 가능한 초전도 회로 플랫폼에서 양자 라비 모델의 이론 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 초강력 결합을 달성하기 위해 초전도성 플럭스 큐비트를 평면파이프 공진기와 전자기적으로 결합한 플랫폼을 사용하였다.
• 공진기 기본 주파수의 약 10% 수준의 결합 강도를 설계하여 초강력 결합 영역에 진입하였다.
• 마이크로파 구동 조건 하에서 시스템의 반응을 탐지하기 위해 전송 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 결과 스펙트럼을 분석하여 고차수 레드사이드밴드 및 일阶 블루사이드밴드 전이의 특징을 식별하였다.
• 해밀토니안 내 반대방향 항으로 인해 다양한 에너지 상태 만델라 간의 내재된 연결성을 활용하였다.
• 비퇴화적 결합 효과가 존재하는지를 확인하기 위해 시스템의 에너지 준위 구조를 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초강력 결합 회로 QED 시스템에서 다중광자 사이드밴드 전이의 어떤 특징이 나타나는가?
• RQ2 반대방향 상호작용은 이러한 시스템에서 서로 다른 에너지 상태 만델라 간의 전이를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 초강력 결합 조건에서 고차수 레드사이드밴드 및 일阶 블루사이드밴드 전이가 실험적으로 해상될 수 있는가?
• RQ4 결합 강도가 공진기 주파수의 약 10% 수준일 때, 비퇴화적 양자 역학적 동역학은 어느 정도로 구현되는가?

주요 결과

• 전송 스펙트럼에서 고차수 레드사이드밴드 전이의 뚜렷한 실험적 증거를 관측하였다.
• 일阶 블루사이드밴드 전이가 해상되어, 초강력 결합 영역에서 다중광자 과정의 존재를 확인하였다.
• 결합 강도가 공진기 기본 주파수의 약 10%에 도달하여 초강력 결합 영역임을 확인하였다.
• 관측된 전이는 서로 다른 에너지 상태 만델라를 연결하는 내재된 반대방향 상호작용에서 기인한다.
• 결과적으로 고차수 공진기 상태에 접근 가능함을 보여주어 양자 논리 연산에의 적용 가능성을 입증하였다.
• 시스템은 양자 라비 모델과 일치하는 비퇴화적 동역학을 나타내었다.