[논문 리뷰] Observation of first- and second-order dissipative phase transitions in a two-photon driven Kerr resonator

Guillaume Beaulieu, Fabrizio Minganti외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 20.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이중광자 구동 초전도 Kerr 공진기에서 처음으로 일阶 및 이阶 소산 상전이(DPTs)의 실험적 관측을 보고한다. 비선형 공진기를 매개로 한 구동을 통해 저자들은 일阶 DPT에서 상의 공존과 히스테리시스를 관측하였고, 이阶 DPT에서는 자발적 대칭성 붕괴와 임계 둔화 현상을 관측하였다. 이는 양자 궤적 모니터링과 리우빌리안 스펙트럼 분석을 통해 검증되었으며, 초전도 회로에서 비평형 임계성의 제어 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

In open quantum systems, first- and second-order dissipative phase transitions (DPTs) can emerge in the thermodynamic limit from the competition between unitary evolution, driving terms, and dissipation. The order of a DPT is defined by the continuity properties of the steady state. Until now, second-order DPTs have predominantly been investigated theoretically, while first-order DPTs have been observed in key experiments based on the theory of the single-photon driven Kerr resonator. We present here the first comprehensive experimental and theoretical analysis of both first and second-order DPTs in a two-photon (i.e., parametrically) driven Kerr superconducting resonator. Firstly, we characterize the steady state and its main features at the second- and first-order critical points: squeezing below vacuum and coexistence of two phases with different photon numbers, respectively. Then, by continuously monitoring the system along quantum trajectories, we study the non-equilibrium dynamics across the critical points. We witness the hysteresis cycles associated with the first-order DPT and the spontaneous symmetry breaking due to the second-order DPT. Applying the spectral theory of the Liouvillian superoperator, we develop efficient procedures to quantify the critical slowing down associated with the timescales of these processes. When scaling towards the thermodynamic limit, these timescales span five orders of magnitude. Our results corroborate the predictions derived using the Liouvillian theory of DPTs. This work stands as a compelling example of engineering and controlling of criticality in superconducting circuits. It marks a significant advancement in the use of two-photon driven Kerr resonators for criticality-enhanced quantum information applications.

연구 동기 및 목표

• 이중광자 구동 초전도 Kerr 공진기에서 일阶 및 이阶 소산 상전이(DPTs)를 실험적으로 관측하고 특성화하는 것.
• 지속적인 양자 궤적 모니터링을 통해 임계점 근처의 비평형 역학을 연구하는 것.
• 리우빌리안 초연산자의 스펙트럼 이론을 통해 임계 둔화 현상을 정량화하는 것.
• 확장 가능한 초전도 회로 플랫폼을 이용해 개방 양자 시스템에서 DPT의 이론 예측을 검증하는 것.
• 양자 정보 및 고감도 센서 응용을 위한 임계성의 공학적 제어를 보여주는 것.

제안 방법

• 신호 수집을 위한 피드라인에 용량 결합된 $λ/4$ 공면파도 공진기와 SQUID를 통해 공진 주파수와 커르 비선형도를 조절하는 종결 방식.
• 공진기 주파수의 약 두 배 주파수에서 일관된 펌프 톤을 적용하여 이중광자 구동을 유도하고, 매개변수적 자극을 가능하게 함.
• 이종 혼합 검출을 통해 양자 궤적을 연속적으로 모니터링하여 비평형 역학을 관측함.
• 리우빌리안 초연산자의 스펙트럼 분석을 통해 가장 작은 비영 고유값을 추출하여 임계 둔화 시간 상수를 정량화함.
• 린드블라드 마스터 방정식의 수치적 및 해석적 모델링을 통해 안정 상태 성질과 상관 함수를 시뮬레이션함.
• 측정된 양자 궤적과 이론 예측을 비교하여 리우빌리안 갭을 추출하고 임계 행동을 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중광자 구동 초전도 Kerr 공진기에서 일阶 및 이阶 소산 상전이를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 히스테리시스 및 자발적 대칭성 붕괴를 포함한 비평형 역학은 임계점 근처에서 어떻게 나타나는가?
• RQ3 개방 양자 시스템에서 임계 둔화를 특성화하는 데 있어 리우빌리안 스펙트럼의 역할은 무엇인가?
• RQ4 이러한 시스템에서 회복 및 비호환성 시간 상수가 열역학적 극한으로 갈수록 어떻게 척도화되는가?
• RQ5 양자 궤적 모니터링을 통해 소산 상전이의 잠재적 임계 행동을 어느 정도 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• 양자 궤적 모니터링을 통해 확인된 일계 DPT는 상의 공존, 준안정성, 히스테리시스로 특징지어지며 관측됨.
• 자발적 대칭성 붕괴가 나타나는 이계 DPT가 관측되었으며, 이는 비영인 질서 매개변수의 등장과 임계 변동성으로 확인됨.
• 양자 궤적 분석을 통해 이계 DPT(λ_SSB) 및 일계 DPT(λ_1st)의 리우빌리안 스펙트럼 갭을 실험적으로 추출하여 이론 예측을 확인함.
• 상관 함수의 지수 감쇠를 통해 임계 둔화가 정량화되었으며, 열역학적 극한으로 갈수록 시간 상수가 다섯 자리 수준으로 스케일링됨.
• 이계 임계점에서 안정 상태에서 진공 이하의 압축이 관측되어 강한 양자 상관관계를 나타냄.
• 측정된 양자 궤적과 리우빌리안 스펙트럼 이론 간의 높은 일치는 개방 양자 시스템에서 DPT의 이론 프레임워크를 검증함.