[논문 리뷰] Resonance fluorescence from an artificial atom in squeezed vacuum

D.M. Toyli, Andrew Eddins외 7명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2016. 02. 10.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파 주파수의 압축된 진공과 강하게 결합된 초전도성 인공 원자에서의 공명 형광을 실험적으로 구현하여, 진공 수준 이하로 형광 선 broadening이 3.1 dB 감소하는 것을 보였다. 광범위한 대역폭을 가진 진행파 파라메트릭 증폭기를 사용해 고해상도 검출을 수행한 결과, 위상에 의존하는 Mollow 삼중선 스펙트럼을 관측하였으며, 이는 두 수준 원자에서 압축된 진공의 이론 예측을 확인하고, 공명 형광이 양자 기술에서 이동 가능한 압축 상태를 특성화하는 도구로 활용될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present an experimental realization of resonance fluorescence in squeezed vacuum. We strongly couple microwave-frequency squeezed light to a superconducting artificial atom and detect the resulting fluorescence with high resolution enabled by a broadband traveling-wave parametric amplifier. We investigate the fluorescence spectra in the weak and strong driving regimes, observing up to 3.1 dB of reduction of the fluorescence linewidth below the ordinary vacuum level and a dramatic dependence of the Mollow triplet spectrum on the relative phase of the driving and squeezed vacuum fields. Our results are in excellent agreement with predictions for spectra produced by a two-level atom in squeezed vacuum [Phys. Rev. Lett. extbf{58}, 2539-2542 (1987)], demonstrating that resonance fluorescence offers a resource-efficient means to characterize squeezing in cryogenic environments.

연구 동기 및 목표

• 이론적으로 예측되었으나 이전에 검증되지 않은, 압축된 진공에서의 인공 원자에서의 공명 형광을 실험적으로 입증하는 것.
• 특히 약한 및 강한 주입 조건에서, 초전도 큐비트가 압축된 마이크로파 장과 강하게 결합된 상태에서의 스펙트럼 반응을 특성화하는 것.
• 공명 형광을 분광학적 도구로 사용하여 냉각 환경에서의 압축 정도를 효율적으로 측정하고 특성화할 수 있는 자원 효율적인 방법을 개발하는 것.
• 압축된 진공 저장소에서의 위상에 의존하는 선 너비 및 Mollow 삼중선 구조에 대한 이론 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 이주기적 파라메트릭 증폭기(Josephson parametric amplifier, JPA)를 사용하여 제어 가능한 위상 분산을 가진 주파수 조절 가능한 마이크로파 주파수의 압축된 빛을 생성한다.
• 트랜스몬 초전도 큐비트를 마이크로파 웨이브가이드 공진기와 강하게 결합시켜 두 수준 시스템을 형성하고, 이 시스템이 압축된 진공 장과 상호작용하도록 한다.
• 고해상도 검출을 위해 광범위한 대역폭을 가진 진행파 파라메트릭 증폭기(TWPA)를 사용하여 스펙트럼 선형형의 정밀 측정이 가능하도록 한다.
• 이론적 모델링은 제이نز-커밍햄 해밀토니안과 연속형 마스터 방정식 형식을 사용하여 원자-장 상호작용을 기술하며, 다양한 조건에서 반사 스펙트럼에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 열기여와 노이즈 기여를 최소화하기 위해 시스템을 밀리켈빈 수준(30 mK 이하)에서 운영하여 장이 진공 상태에 가까운 상태를 확보한다.
• 드라이브 Rabi 장과 압축된 진공 사이의 상대 위상을 체계적으로 변화시켜 그 영향이 형광 스펙트럼에 미치는 영향을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 진공 존재 하에서, 두 수준의 인공 원자가 일관된 장에 의해 자극받을 때 공명 형광은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 초전도 회로 플랫폼에서 실험적으로 자연선 너비 이하의 선 너비를 달성하고 측정할 수 있는가?
• RQ3 드라이브 장과 압축된 진공 사이의 상대 위상은 Mollow 삼중선의 스펙트럼 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실험 결과는 압축된 저장소에서의 공명 형광에 대한 이론 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 공명 형광은 이동 가능한 압축된 마이크로파 상태를 특성화하는 신뢰할 수 있고 자원 효율적인 방법으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 형광 선 너비는 진공 상태의 자연선 너비 이하로 최대 3.1 dB 감소하여, 압축에 의한 초자연선 너비 감소를 입증한다.
• Mollow 삼중선 스펙트럼은 드라이브 장과 압축된 진공 장 사이의 상대 위상에 강하게 의존하며, 선 너비가 cos(2Φ)에 따라 변조됨을 관측하여 이론 예측과 일치한다.
• 실험 스펙트럼은 해석적 모델과 연속형 마스터 방정식 시뮬레이션과 우수한 일치를 보이며, 두 수준 원자에서 압축된 진공의 이론 프레임워크를 검증한다.
• 광범위한 대역폭을 가진 진행파 파라메트릭 증폭기를 사용하여 고해상도의 형광 검출을 실현하여 세밀한 스펙트럼 특징을 관측할 수 있었다.
• 결과적으로 공명 형광이 회로 양자 전기역학에서 이동 가능한 압축된 마이크로파 상태를 특성화하는 분광학적 프로브로 사용될 수 있음을 확인하였다.
• 관측된 위상에 의존하는 스펙트럼 특징은 비고전적 진공 변동의 직접적 증거로서, 압축된 장의 양자적 성격을 확인한다.