[논문 리뷰] Renormalization of Electromagnetic Quantities in Small Josephson Junctions

Godwill Mbiti Kanyolo|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 01.

Optical Network Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 학위논문은 소형 조지프슨 접합 및 배열에서 전자기 환경이 적용된 마이크로파 필드의 재정규화 방식을 조사하며, 파동함수 재정규화(레흐만 가중치)로 인해 효과적인 마이크로파 진폭이 재스케일링됨을 입증한다. 이는 양자 회로의 투과성 조절에 영향을 미친다. 이 효과는 광자 흡수 및 방출에 대한 임피던스 의존적 수정으로 기인하며, 이는 양자 장치에서 마이크로파 반응을 동적으로 제어할 수 있게 한다.

ABSTRACT

This doctorate thesis focuses on the effects of the electromagnetic environment on applied electromagnetic fields in single small junctions as well as arrays. We apply radio-frequency (RF) microwaves in the sub-gigahertz frequency range on a one-dimensional array of small Josephson junctions exhibiting distinct Coulomb blockade characteristics. We observed a gradual lifting of Coulomb blockade with increase in the microwave power which we interpret is due to photon-assisted tunneling of Cooper pairs in the classical (multi-photon absorption) regime. We observe that, due to its high sensitivity to microwave power, the array is well-suited for in situ microwave detection applications in low temperature environments. A detailed analysis of the characteristics in the classical (multi-photon absorption) limit reveals that the microwave amplitude is rescaled (renormalized), which we attribute to the difference in dc and ac voltage response of the array. We proceed to rigorously consider the origin of the aforementioned renormalization effect by considering the effect of the electromagnetic environment of the Josephson junction on applied oscillating voltages. We theoretically demonstrate that its effect is simply to renormalize the amplitude of oscillation in a predictable manner traced to the physics of wave function renormalization (Lehmann weights) consistent with circuit-QED. We also introduce Einstein's A and B coefficients for small Josephson junctions, in a bid to relate the renormalization effect to the modification of photon absorption and emission amplitudes. Such renormalization implies that the sensitivity of the single junction and the array to oscillating electromagnetic fields (e.g. microwaves) is modulated and depends on the environmental impedance. The renormalization effect can be exploited to configure `opaque', `translucent' or `transparent' quantum circuits to microwaves.

연구 동기 및 목표

• 소형 조지프슨 접합에서 적용된 진동 전압의 효과적 진폭이 전자기 환경에 의해 어떻게 수정되는지 이해하기.
• RF 자극 하에서 소형 조지프슨 접합의 일차원 배열에서 관측된 마이크로파 반응 재정규화를 설명하기.
• 파동함수 재정규화 및 레흐만 가중치와 같은 기본 양자장 이론 개념과 재정규화 효과를 연결하기.
• 소형 접합의 맥락에서 전자기 양에 대한 재정규화와 아인슈타인의 A 및 B 계수 사이의 연관성 수립하기.
• 환경 임피던스를 사용하여 마이크로파에 대해 '투명', '반투명', 또는 '불투명'일 수 있는 구성 가능한 전송 특성을 갖는 양자 회로를 설계할 수 있음을 보여주기.

제안 방법

• 다른 쿨롱 차폐 특성을 갖는 일차원 소형 조지프슨 접합 배열에 1GHz 미만의 RF 마이크로파를 실험적으로 적용하기.
• 마이크로파 전력 의존성에 기인한 쿨롱 차폐의 해제를 측정하며, 이는 고전적(다중 광자) 영역에서의 광자 보조 터널링으로 해석된다.
• 회로-양자전기역학 원리와 파동함수 재정규화(레흐만 가중치)를 사용하여 전자기 환경의 진동 전압에 미치는 영향을 이론적으로 모델링하기.
• 접합의 환경 임피던스에 의존하는 재정규화된 마이크로파 진폭을 유도하며, 이는 양자장 이론 형식과 일치한다.
• 아인슈타인의 A 및 B 계수를 조지프슨 접합 프레임워크에 도입하여 환경에 의해 수정된 광자 흡수 및 방출 진폭을 기술하기.
• 임피던스 의존적 반응을 사용하여 조지프슨 접합 회로의 마이크로파 투과성 예측 및 제어하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조지프슨 접합의 전자기 환경은 적용된 마이크로파 필드의 효과적 진폭을 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 RF 자극 하에서 소형 조지프슨 접합 배열에서 관측된 마이크로파 반응 재정규화의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ3 환경 임피던스를 얼마나 정밀하게 제어하여 양자 회로의 마이크로파 투과성을 조절할 수 있는가?
• RQ4 파동함수 재정규화와 레흐만 가중치는 관측된 마이크로파 진폭 재스케일링을 어떻게 설명하는가?
• RQ5 아인슈타인의 A 및 B 계수는 소형 조지프슨 접합에 의미 있게 확장될 수 있는가? 만약 그렇다면, 환경 효과로 인한 수정된 광자 흡수 및 방출을 기술하기 위한가?

주요 결과

• 마이크로파 진폭은 접합의 전자기 환경으로 인해 효과적으로 재정규화되며, 재스케일링 인자는 환경 임피던스에 의해 결정된다.
• 재정규화 효과는 파동함수 재정규화(레흐만 가중치)로 기인하며, 기존의 회로-양자전기역학 형식과 일치한다.
• 배열은 마이크로파 전력에 매우 민감하여 저온 환경에서 실시간 마이크로파 감지가 가능하다.
• 고전적(다중 광자) 영역에서의 광자 보조 터널링은 마이크로파 전력 증가에 따라 점진적으로 쿨롱 차폐가 해제되는 것을 설명한다.
• 환경 임피던스는 마이크로파와 접합 간의 효과적 결합을 조절하며, 이는 '불투명', '반투명', 또는 '투명'인 양자 회로의 설계를 가능하게 한다.
• 아인슈타인의 A 및 B 계수는 소형 조지프슨 접합에 일반화되었으며, 환경 효과로 인한 수정된 광자 흡수 및 방출 진폭을 기술하는 프레임워크를 제공한다.