[논문 리뷰] Superradiant Hybrid Quantum Devices

Andreas Angerer, Kirill Streltsov외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 20.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 40인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 구리 초전도성 공진기와 다이아몬드 내 밀도 높은 질소빈공(NV) 중심체의 하이브리드 양자 시스템에서 Dicke 초광선 방출을 입증하며, 단일 NV 중심체보다 약 1조 배 빠른 초광선 펄스 방출 속도를 달성한다. 이 효과는 방출된 복사 강도의 비선형적 N² 비례 관계에 의해 확인되며, 이는 빠른 공진기 한계와 공명 결합 덕분이며, 고체 상태 초광선 마이저의 기초를 마련한다.

ABSTRACT

Superradiance is the archetypical collective phenomenon where radiation is amplified by the coherence of emitters. It plays a prominent role in optics, where it enables the design of lasers with substantially reduced linewidths, quantum mechanics, and is even used to explain cosmological observations like Hawking radiation from black holes. Hybridization of distinct quantum systems allows to engineer new quantum metamaterials pooling the advantages of the individual systems. Superconducting circuits coupled to spin ensembles are promising future building blocks of integrated quantum devices and superradiance will play a prominent role. As such it is important to study its fundamental properties in hybrid devices. Experiments in the strong coupling regime have shown oscillatory behaviour in these systems but a clear signature of Dicke superradiance has been missing so far. Here we explore superradiance in a hybrid system composed of a superconducting resonator in the fast cavity limit inductively coupled to an inhomogeneously broadened ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centres. We observe a superradiant pulse being emitted a trillion of times faster than the decay for an individual NV centre. This is further confirmed by the non-linear scaling of the emitted radiation intensity with respect to the ensemble size. Our work provides the foundation for future quantum technologies including solid state superradiant masers.

연구 동기 및 목표

• 초전도 회로와 스핀 응집체를 조합한 하이브리드 양자 시스템에서 Dicke 초광선 방출을 입증하기.
• 데코herence를 억제하고 집단적 방출을 강화하기 위해 빠른 공진기 한계에서 작동하여 초광선 방출 조건를 확보하기.
• 응집체 크기와의 비선형적 비례 관계를 관찰하여 집단적 초광선 붕괴의 징후로 삼기.
• 미래의 고체 상태 초광선 마이저 및 양자 메타물질을 위한 플랫폼을 마련하기.

제안 방법

• 빠른 공진기 한계(κ ≫ γ, g)에서 작동하는 3D 농축형 초전도성 공진기를 사용하여 결합 강도를 높이고 위상 분리 현상을 억제하기.
• 비균일하게 넓은 분포를 띠는 다이아몬드 내 질소빈공(NV) 중심체의 집단체에 유도 결합을 적용하며, 자장 조절을 통해 1~4개의 하위집단체를 공명적으로 결합하기.
• 마이크로파 구동과 광학적 읽기 방법을 적용하여 스핀 집단의 동적 변화를 모니터링하고, 형광 검출을 통해 집단적 방출을 측정하기.
• 마스터 방정식에서 공진기 모드를 단절적으로 제거하여 효과적인 스핀 해밀토니안을 유도하고, 방출의 비선형적 N² 비례 관계를 예측하기.
• 리드블라드 초위상 연산자를 포함한 Tavis-Cummings 해밀토니안을 사용하여 공진기 붕괴(κ), 스핀 리라크세이션(γ∥), 위상 분리(γ⊥)를 고려한 모델링하기.
• 회전 프레임과 정 steady 상태 근사(ȧ = 0)를 적용하여 효과적인 스핀 해밀토니안과 손실 경로를 유도하고, 초광선 행동을 확인하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 회로와 스핀 응집체의 하이브리드 시스템에서 실험적으로 접근 가능한 조건 하에서 Dicke 초광선 방출을 관측할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템의 집단적 방출이 초광선의 특징적인 N² 비례 관계를 보이며, 공명적 강화를 확인할 수 있는가?
• RQ3 빠른 공진기 한계가 위상 분리 현상을 억제하고, 비균일한 넓이 분포가 존재하더라도 초광선 펄스의 관측을 가능하게 하는가?
• RQ4 자기장의 정렬 오차와 같은 실험적 불완전성은 방출 강도의 비선형적 비례 관계에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템은 확장 가능한 고체 상태 초광선 마이저의 플랫폼으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 단일 NV 중심체의 자발적 방출 속도보다 약 1조 배 빠른 붕괴 속도를 보이는 초광선 펄스가 관측되었다.
• 방출된 복사 강도가 응집체 크기와 함께 비선형적으로 비례하며, I ∝ N²의 관계를 따르며 Dicke 초광선 방출의 직접적 증거를 제공한다.
• 실험적 불완전성(예: 자기장 정렬 오차)으로 인한 완벽한 N² 비례에서의 이탈에도 불구하고 비선형 비례 관계는 실험적으로 확인되었다.
• 빠른 공진기 한계(κ ≫ γ, g)는 위상 유지에 필수적이며 초광선 방출의 관측을 가능하게 했다.
• 스핀 시스템의 광학적 읽기 결과 스핀 집단의 빠른 붕괴가 관측되었으며, 이는 집단적 방출 역학과 일치한다.
• 단절적 제거와 리드블라드 마스터 방정식을 사용한 이론적 모델링이 관측된 초광선 행동과 비선형 비례 관계를 성공적으로 재현하였다.