[논문 리뷰] Strong coupling between a single-photon and a two-photon Fock state

Shuai-Peng Wang, Alberto Mercurio외 10명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 05.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자를 두 광자 Fock 상태와 초강한 결합시키는 초강한 결합 회로-QED 시스템에서, 조정된 플럭스 큐비트를 비선형 결합기로 사용하여 강한 결합을 구현한다. 실험은 양자 라비 유사 피하기 수준을 해소하고 평균 광자 수가 1 미만인 조건에서 제2차 고조파 생성을 관측하여, 외부 자극장이 없이도 결정적인, 일관된 광자-광자 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The realization of strong nonlinear coupling between single photons has been a long-standing goal in quantum optics and quantum information science, promising wide impact applications, such as all-optical deterministic quantum logic and single-photon frequency conversion. Here, we report an experimental observation of the strong coupling between a single-photon and a two-photon Fock state in an ultrastrongly-coupled circuit-QED system. This strong nonlinear interaction is realized by introducing a detuned flux qubit working as an effective coupler between two modes of a superconducting coplanar waveguide resonator. The ultrastrong light--matter interaction breaks the excitation number conservation, and an external flux bias breaks the parity conservation. The combined effect of the two enables the strong one--two-photon coupling. Quantum Rabi-like avoided crossing is resolved when tuning the two-photon resonance frequency of the first mode across the single-photon resonance frequency of the second mode. Within this new photonic regime, we observe the thresholdless second harmonic generation for a mean photon number below one. Our results represent a key step towards a new regime of quantum nonlinear optics, where individual photons can deterministically and coherently interact with each other in the absence of any stimulating fields.

연구 동기 및 목표

• 초전도 회로-QED 플랫폼에서 단일 광자 및 두 광자 Fock 상태 사이의 강한 비선형 결합을 달성하기 위해.
• 기존 광학 매질에서 단일 광자 수준에서 광자-광자 상호작용이 극도로 미미한 문제를 해결하기 위해.
• 외부 자극장이나 원자(excitation) 없이도 개별 광자 간에 결정적이고 일관된 상호작용을 실현하기 위해.
• 개별 광자가 초강한 빛-물질 결합을 통해 일관되게 상호작용할 수 있는 새로운 양자 비선형 광학 영역을 탐색하기 위해.
• 평균 광자 수가 1 미만인 조건에서 제2차 고조파 생성을 입증하여 강한 효과적 광자-광자 상호작용을 나타내기 위해.

제안 방법

• 두 개의 서로 다른 모드(n=1 및 n=2)를 가진 초전도 평면파이프 공진기와, 조정된 플럭스 큐비트를 효과적 비선형 결합기로 사용하여 결합시켰다.
• 초강한 결합을 가능하게 하고 에너지 수준 보존을 깨는 데 기여하기 위해 최적화된 조셉슨 에너지와 충전 에너지를 가진 삼접합 플럭스 큐비트를 사용하였다.
• 대칭성 파괴를 위해 외부 플럭스 펌프를 적용하여 짝수 및 홀수 광자 상태 간의 전이를 가능하게 하였다.
• 기본 상태 |2,0,g⟩와 |0,1,g⟩ 사이의 전이 행렬 요소가 피피칭점에서 유사한 크기로 조정되어 강한 효과적 결합이 가능하도록 시스템을 설계하였다.
• 초강한 결합 영역에서 시간 진화 및 장의 역학을 모델링하기 위해 일반화된 마스터 방정식과 고유상태 기반의 입출력 관계를 사용하였다.
• 마이크로파 스펙트로스코피를 통해 단일 광자 공진선과 두 광자 공진선 사이의 피하기 수준을 해소하여 강한 결합을 확인하였다.

Figure 1: $|$ Setup. a, Schematic of the device. A flux qubit embedded in a ${\lambda}/{2}$ coplanar waveguide resonator, working as a nonlinear coupler between two modes of the resonator. The dashed cyan lines represent the vacuum current distribution of the $n=1$ ( ${\lambda}/{2}$ ) and $n=2$ ( $\

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회로-QED 시스템에서 단일 광자 Fock 상태와 두 광자 Fock 상태 사이의 강한 결합을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 초강한 빛-물질 결합과 대칭성 파괴는 단일 광자 수준에서 효과적 광자-광자 상호작용을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 평균 광자 수가 1 이하인 조건에서 제2차 고조파 생성을 관측할 수 있는가? 이는 결정적인 광자 융합을 시사하는가?
• RQ4 효과적 결합 강도는 손실에 비해 어느 정도이며, 단일 광자에서 광자 쌍으로의 변환 효율이 거의 100%에 도달할 잠재력이 있는가?
• RQ5 일반화된 양자 라비 해밀토니언은 초강한 결합 영역에서 관측된 동역학을 어느 정도 잘 기술하는가?

주요 결과

• 실험적으로 두 번째 모드의 단일 광자 공진선과 첫 번째 모드의 두 광자 공진선 사이에 양자 라비 유사 피하기 수준이 명확히 관측되어 강한 결합을 확인하였다.
• 평균 광자 수가 1 이하인 조건에서 제2차 고조파 생성이 관측되어, 단일 광자가 결정적이고 일관되게 광자 쌍으로 융합됨을 시사한다.
• 효과적 결합 강도 $ g_{\rm eff} $ 는 라비 진동 주기 $ T_R = 2\pi / g_{\rm eff} $ 를 갖는 정도로 충분히 크며, 이는 거의 100%의 변환 효율 가능성을 시사한다.
• 초강한 결합과 대칭성 파괴로 인해 짝수 및 홀수 광자 상태가 동시에 혼합되는 현상이 관측되었으며, 이는 일반화된 양자 라비 모델의 특징이다.
• 핵심 상태 |2,0,g⟩와 |0,1,g⟩ 사이의 전이 행렬 요소 크기가 약 1로 유사하여, 큰 디튜닝 조건에서도 강한 효과적 결합이 가능함을 보여준다.
• 결과적으로, 외부 자극장이나 원자(excitation) 없이도 개별 광자가 일관되게 상호작용할 수 있는 새로운 양자 비선형 광학 영역이 구현되었으며, 이는 결정적인 양자 광학 연산을 가능하게 한다.

Figure 2: $|$ Quantum Rabi-like splitting. Quantum Rabi-like splitting between a single photon and a photon pair. The left part in each panel (negative flux offset) reports the measured spectra. The corresponding calculated spectra are reported for positive flux offset (right), using the parity symm