[논문 리뷰] Non-equilibrium phases in hybrid flux-qubit--NV-center arrays

Thomas Hümmer, Georg M. Reuther외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초전도체 플럭스 큐비트와 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 결합하여 강한 결합 조건 하에서 Jaynes-Cummings-격자에서 국소화-비국소화 전이를 시뮬레이션하는 하이브리드 양자 아키텍처를 제안한다. 캐비티 기반 격자와는 달리 결합은 큐비트를 통해 매개되며, 이는 현장에서의 가변성과 임의의 차원에서의 이러한 전이 연구를 가능하게 하며, 현재의 실험 기술로도 비평형 동역학과 비가역성 효과를 분석할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a startling hybrid quantum architecture for simulating a localization-delocalization transition. The concept is based on an array of superconducting flux qubits which are coupled to a diamond crystal containing nitrogen-vacancy (NV) centers. The underlying description is a Jaynes-Cummings-lattice in the strong-coupling regime. However, in contrast to well-studied coupled cavity arrays the interaction between lattice sites is mediated here by the qubit rather than by the oscillator degrees of freedom. Nevertheless, we point out that a transition between a localized and a delocalized phase occurs in this system as well. We demonstrate the possibility of monitoring this transition in a non-equilibrium scenario, including decoherence effects. The proposed scheme allows the monitoring of localization-delocalization transitions in Jaynes-Cummings-lattices by use of currently available experimental technology. Contrary to cavity-coupled lattices, our proposed recourse to stylized qubit networks facilitates (i) to investigate localization-delocalization transitions in arbitrary dimensions and (ii) to tune the inter-site coupling in-situ.

연구 동기 및 목표

• 초전도 플럭스 큐비트와 NV 중심을 조합한 하이브리드 양자 시스템에서 비평형 양자 상을 탐구하기 위해.
• 캐비티를 통한 결합에 의존하지 않고도 Jaynes-Cummings-격자에서 국소화-비국소화 전이를 입증하기 위해.
• 비가역성 등 현실적인 조건을 고려한 실험적 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 임의의 공간 차원에서 양자 상전이를 연구할 수 있는 플랫폼을 제공하기 위해.
• 큐비트를 통한 상호작용을 통해 사이트 간 결합을 현장에서 조절 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 강한 결합 영역에서 플럭스 큐비트가 다이아몬드 격자 내 NV 중심과 결합된 Jaynes-Cummings-격자로 모델링된다.
• 사이트 간 결합은 광자 또는 진동자 자유도가 아닌 큐비트를 통해 매개되며, 이로 인해 결합 강도를 직접 제어할 수 있다.
• 비평형 설정에서 이론적 분석을 수행하여 비가역성 효과를 포함시켜 현실적인 실험 조건을 시뮬레이션한다.
• 수치적 및 해석적 방법을 통해 시스템의 상 행동을 연구하여 국소화 및 비국소화의 징후를 식별한다.
• 초전도 큐비트 및 NV 중심 제어 분야의 기존 실험 능력을 활용한 아키텍처이다.
• 큐비트의 매개 조건을 조절함으로써 사이트 간 결합을 현장에서 조절할 수 있으며, 이는 격자의 양자 행동에 대한 동적 제어를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티를 통한 결합에 의존하지 않고 큐비트를 통한 매개 결합을 사용하여 Jaynes-Cummings-격자에서 국소화-비국소화 전이를 실현할 수 있는가?
• RQ2 비평형 동역학은 이러한 하이브리드 시스템에서 국소화-비국소화 전이의 관찰에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비가역성 효과를 이론적 기술에 얼마나 잘 통합할 수 있는가? 이로 인해 상전이의 징후가 흐리지 않는가?
• RQ4 현재의 실험 기술로 이러한 전이를 현장에서 모니터링하고 제어할 수 있는가?
• RQ5 이 큐비트 기반 아키텍처를 통해 이러한 전이를 임의의 공간 차원에서 연구하는 것은 가능한가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 플럭스 큐비트–NV 중심 배열에서 캐비티를 통한 결합 없이도 국소화-비국소화 전이가 입증되었다.
• 비평형 상황에서 비가역성 효과를 고려한 상태에서도 전이를 모니터링할 수 있어 실험적으로 관련성이 있다.
• 큐비트를 통한 매개 결합 메커니즘이 사이트 간 결합을 현장에서 조절 가능하게 하여 시스템의 상에 대한 동적 제어를 가능하게 한다.
• 이 아키텍처는 전통적인 캐비티 결합 격자에 비해 제한을 초월해 임의의 차원에서 양자 상전이를 연구할 수 있게 한다.
• 시스템은 현재의 실험 기술 범위 내에 있어 예측된 상전이의 실현과 관측이 가능할 것으로 보인다.
• 이론적 분석은 비평형 및 비가역성 조건이 현실적인 조건에서도 상전이가 견고하게 유지됨을 확인한다.