[논문 리뷰] Spin-boson model with an engineered reservoir in circuit quantum electrodynamics

M. Haeberlein, Frank Deppe외 15명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 30.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 전송선에 부분 반사판을 삽입하여 조절 가능한 공학된 저장소를 형성한 회로 양자 전기역학에서 스핀-보스 모델의 실험적 실현을 보여준다. 큐비트 공명 광방출을 측정함으로써, 피크가 있는 스펙트럼 함수를 갖는 비오믹 환경을 공학적으로 설계하고, 자발적 방출률을 8배로 향상시켰다. 이는 모델의 정당성을 검증하고 향후 복잡한 불순종 시스템의 양자 시뮬레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A superconducting qubit coupled to an open transmission line represents an implementation of the spin-boson model with a broadband environment. We show that this environment can be engineered by introducing partial reflectors into the transmission line, allowing to shape the spectral function, J({\\omega}), of the spin-boson model. The spectral function can be accessed by measuring the resonance fluorescence of the qubit, which provides information on both the engineered environment and the coupling between qubit and transmission line. The spectral function of a transmission line without partial reflectors is found to be Ohmic over a wide frequency range, whereas a peaked spectral density is found for the shaped environment. Our work lays the ground for future quantum simulations of other, more involved, impurity models with superconducting circuits.

연구 동기 및 목표

• 초전도 회로 플랫폼에서 제어 가능한 공학된 보스온 저장소를 갖춘 스핀-보스 모델을 실현하기 위해.
• 전송선에 산발적인 산란체(부분 반사판)를 사용하여 환경의 스펙트럼 밀도 $J(\omega)$ 를 형상화하기 위해.
• 큐비트 공명 광방출 측정을 통해 공학된 환경을 실험적으로 접근하고 특성화하기 위해.
• 공명 라벨 시프트와 광방출 데이터로부터 추출한 결합 강도를 비교하여 모델을 검증하기 위해.
• 강한 결합 영역으로의 전이를 탐색하고 마코프 근사의 붕괴를 평가하기 위해.

제안 방법

• 전송선에 두 개의 부분 반사판을 삽입하여 넓은 공명을 형성함으로써 저장소의 상태 밀도를 수정하기 위해.
• 자기장 조절 가능한 초전도 큐비트를 전송선 환경에 결합된 스핀-보스 불순종으로 사용하기 위해.
• 큐비트 공명 광방출을 측정하여 스펙트럼 함수 $J(\omega)$ 를 추출하고, 루게르션 선형형태에 적합하여 붕괴율과 결합 강도를 결정하기 위해.
• 원거리 탈조된 영역에서 큐비트의 라벨 시프트를 이론 예측과 비교하여 결합 강도 $g$ 를 교차 검증하기 위해.
• 강한 결합 영역에서 마코프 근사의 타당성을 평가하기 위해 임계 붕괴율 $\kappa_{\text{crit}}$ 를 계산하기 위해.
• 전송선의 내재 임피던스와 기하학적 구조를 사용하여 단일 모드 공명기와의 등가 결합 $g_{\text{tra}}$ 를 계산하고 측정된 $g$ 와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전송선에 삽입된 부분 반사판을 갖는 초전도 큐비트는 제어 가능한 비오믹 스펙트럼 밀도 $J(\omega)$ 를 실현할 수 있는가?
• RQ2 공학된 환경은 큐비트의 자발적 방출률을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 광방출 및 라벨 시프트 측정에서 얻은 큐비트-환경 결합 강도는 얼마나 정확하게 추출될 수 있는가?
• RQ4 이 시스템에서 마코프 근사는 어떤 조건에서 붕괴하는가?
• RQ5 이 시스템은 코нд로 영역에 도달하도록 조절할 수 있으며, 이를 위해 필요한 상호 인덕턴스는 얼마인가?

주요 결과

• 일반 전송선의 스펙트럼 함수는 넓은 주파수 범위에서 오믹으로 나타나며, 이는 이론적 기대와 일치한다.
• 부분 반사판의 도입으로 환경가 피크가 있는 스펙트럼 밀도로 형상화되어, 비정상적인 저장소 공학이 가능해졌다.
• 자발적 방출률이 8배 향상된 것이 관측되어 강한 비마코프 효과와 마코프 근사의 붕괴를 시사한다.
• 광방출 데이터로부터 추출한 결합 강도 $g \sin \theta = 216\ \text{MHz}$ 는 전송선 파rameter로부터 계산한 $g_{\text{tra}} = 233\ \text{MHz}$ 와 잘 일치한다.
• 임계 붕괴율 $\kappa_{\text{crit}}$ 는 $\omega_0$ 에서 마코프 근사가 실패함을 나타내며 ($\kappa_{\text{crit}} = 233\ \text{MHz}$), 반면 $\omega_0'$ 에서는 유지됨을 나타낸다 ($\kappa_{\text{crit}} = 175\ \text{MHz}$).
• 코нд로 영역에 도달하기 위해서는 상호 인덕턴스 $200\ \text{pH}$ 가 필요하며, 이는 기술적으로 도전적이지만 실현 가능하다고 평가된다.