[논문 리뷰] Quantum Simulation of the Fermion-Boson Composite Quasi-Particles with a Driven Qubit-Magnon Hybrid Quantum System

Yi-Pu Wang, Guo‐Qiang Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 29.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 50인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 3D 마이크로파 공진기 내에서 초전도 큐비트와 YIG 구리에서의 멀티온이 가상의 공진기 광자들을 통해 강하게 결합된 구동된 큐비트-멀티온 하이브리드 시스템을 구현한다. 이 시스템은 허위 상태를 형성하여 페르미온-보스온 복합 준입자와 유사한 행동을 보이며, 광역의 구동 전력 범위에서 실험적 주파수 분할이 이론적 예측과 일치하여, 입자-홀 대칭 페르미온-보스온 시스템의 양자 시뮬레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We experimentally demonstrate strong coupling between the ferromagnetic magnons in a small yttrium-iron-garnet (YIG) sphere and the drive-field-induced dressed states of a superconducting qubit, which gives rise to the double dressing of the superconducting qubit. The YIG sphere and the superconducting qubit are embedded in a microwave cavity and the effective coupling between them is mediated by the virtual cavity photons. The theoretical results fit the experimental observations well in a wide region of the drive-field power resonantly applied to the superconducting qubit and reveal that the driven qubit-magnon hybrid quantum system can be harnessed to emulate a particle-hole-symmetric pair coupled to a bosonic mode. This hybrid quantum system offers a novel platform for quantum simulation of the composite quasi-particles consisting of fermions and bosons.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트와 YIG 구리 내의 멀티온을 결합한 하이브리드 양자 시스템을 구현하여 양자 시뮬레이션을 수행하는 것.
• 가상의 공진기 광자를 통해 매개되는 구동된 큐비트의 허위 상태와 멀티온 사이의 강한 결합을 입증하는 것.
• 공진 조건에서 페르미온적 큐비트 상태와 보스온적 멀티온이 결합하여 복합 준입자가 어떻게 나타나는지 탐구하는 것.
• 조절 가능한 페르미온 성질을 가진 입자-홀 대칭 페르미온-보스온 시스템을 시뮬레이션할 수 있는 조절 가능한 플랫폼을 제공하는 것.

제안 방법

• 3D 트랜스몬 큐비트와 YIG 구리는 각각 TE102 모드의 전기장 반절점과 자기장 반절점에 위치한 직육면체 마이크로파 공진기에 통합된다.
• 공진 마이크로파 구동 필드는 큐비트를 강한 코herent하게 덮어, 라비 주파수 Ωd ∝ √Pd 를 갖는 허위 상태를 형성한다.
• 가상의 공진기 광자가 구동된 큐비트와 멀티온 사이의 효과적 결합을 매개하여 이중으로 허위된 하이브리드 정규 모드를 이끈다.
• 이론적 모델링은 페르미온 쌍이 보스온 모드와 결합된 입자-홀 대칭 시스템을 기술하는 해밀토니안을 사용하며, 결합 강도는 gqm, 멀티온 수는 N이다.
• 하이브리드 모드 간의 주파수 분할은 ω4−ω1 = Ωd/2 + [(Ωd/2)² + (2gqm√(N+1))²]^1/2 와 ω3−ω2 = −Ωd/2 + [(Ωd/2)² + (2gqm√(N+1))²]^1/2 로 해석적으로 유도된다.
• 실험 데이터는 N=0 및 Ωd = k√Pd 를 가정하여 이론 모델에 맞추어 분석하였으며, k = 103 MHz/mW^1/2 로 도출되었고, 고전력 영역에서의 편차는 공진기 내 멀티온의 자극을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가상의 공진기 광자를 통해 구동된 초전도 큐비트가 YIG 구리 내의 멀티온과 강하게 결합되어 이중으로 허위된 상태를 형성할 수 있는가?
• RQ2 유도된 하이브리드 모드는 입자-홀 대칭성을 보이며 복합 페르미온-보스온 준입자처럼 행동하는가?
• RQ3 강한 구동 조건에서 효과적 결합 강도와 모드 분할은 어떻게 구동 전력에 따라 변화하는가?
• RQ4 고전력 영역에서 N=0 기저 상태 가정이 얼마나 벗어나는가?

주요 결과

• 실험적 투과 스펙트럼은 공진 조건에서 명확한 거울 대칭성과 네 개의 구분 가능한 흡수 균열을 보이며, 이중으로 허위된 상태의 형성을 확인한다.
• 구동 전력 증가에 따라 ω4−ω1 는 증가하고, ω3−ω2 는 감소하며, 이는 식 (4)로부터 유도된 이론 예측과 일치한다.
• 저전력 영역에서는 N=0을 가정한 이론 모델이 실험 데이터와 잘 맞으며, 구동 암부 스케일링에 대해 k = 103 MHz/mW^1/2 의 피팅 파라미터를 도출한다.
• 고전력 영역에서 N=0 모델은 실험에서 벗어나며, 공진기 내에서의 멀티온 자극 및 열적 영향이 뚜렷하게 나타남을 시사한다.
• 이중으로 허위된 상태는 하이브리드 모드 내 멀티온 기여도에 따라 조절 가능한 페르미온 성질을 가진 복합 준입자처럼 행동한다.
• 이 시스템은 입자-홀 대칭 페르미온-보스온 결합 시스템을 성공적으로 모방하여, 복합 준입자에 대한 양자 시뮬레이션을 가능하게 한다.