[论文解读] Atoms Talking to SQUIDs

Jennifer E. Hoffman, Jeffrey A. Grover+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种混合量子系统，通过磁偶极相互作用将⁸⁷Rb原子与超导通量量子比特或LC谐振器耦合。通过使用倏逝光纤维阱在超导芯片上方约10 μm处捕获原子，该方案实现了强耦合（每原子约34.6 Hz），并为研究超导量子比特中的电荷噪声和退相干机制提供了平台。

ABSTRACT

We present a scheme to couple trapped $^{87}$Rb atoms to a superconducting flux qubit through a magnetic dipole transition. We plan to trap atoms on the evanescent wave outside an ultrathin fiber to bring the atoms to less than 10 $μ$m above the surface of the superconductor. This hybrid setup lends itself to probing sources of decoherence in superconducting qubits. Our current plan has the intermediate goal of coupling the atoms to a superconducting LC resonator.

研究动机与目标

• 开发一种结合中性原子长相干时间与超导电路可扩展性的混合量子处理器。
• 通过将捕获原子用作电荷噪声的灵敏探针，研究超导量子比特中退相干的来源。
• 在混合架构中实现原子超精细跃迁与超导谐振器或通量量子比特之间的强耦合。
• 展示一种可扩展的架构，其中原子通过倏逝光纤维阱在超导器件附近被捕获。
• 使用里德伯原子作为电场传感器，识别超导电路中的微观退相干源。

提出的方法

• 在超导芯片上方约10 μm处，利用双色倏逝波光纤维阱（TOF）捕获⁸⁷Rb原子。
• 使用调谐至⁸⁷Rb超精细分裂6.863 GHz的集总元件超导LC谐振器，实现初始耦合。
• 采用高频电磁仿真（HFSS）模拟磁场分布，并优化与谐振器的耦合。
• 通过磁偶极相互作用哈密顿量 $ H_{int} = -\bm{\nu}_i \cdot \bm{B} $ 计算耦合强度，其中 $ \bm{B} $ 由单光子和通量量子场导出。
• 设计具有绝热锥形结构的光纤（TOF），以满足条件 $ \Omega < \frac{\rho(\beta_1 - \beta_2)}{2\pi} $，从而最小化光学损耗。
• 使用与谐振器耦合的微波传输线检测光子诱导跃迁，并测量耦合效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 中性⁸⁷Rb原子能否通过磁偶极跃迁与超导通量量子比特实现相干耦合？
• RQ2 在混合架构中，单个原子与超导谐振器或通量量子比特之间的可实现耦合强度是多少？
• RQ3 超导LC谐振器产生的磁场分布如何影响与原子磁偶极矩的耦合？
• RQ4 靠近超导电路的捕获原子能否作为电荷噪声及其他退相干源的灵敏探针？
• RQ5 在基于光纤的原子捕获系统中，为最小化光学损耗并最大化耦合，最优的几何与材料参数是什么？

主要发现

• 基于HFSS对电感上方5 μm处磁场的仿真，估算出单个⁸⁷Rb原子与谐振器中单个微波光子之间的耦合强度为34.6 Hz。
• 谐振器的有效模式体积估算为 $ 10 \times 10^{-16} \, \text{m}^3 $，与超导结构附近强场约束一致。
• 在12 mK和6.863 GHz条件下，LC谐振器的加载品质因数为40,000，共振时微波透射出现1.5 dB dip。
• 在光纤表面以上138 nm处的卡西米尔-珀德尔势阱深度为7.43 mK，其位移可忽略（0.03 mK），阱位间距为1 nm。
• 计算得出谐振器中一个光子产生的磁场为 $ 2.47 \times 10^{-9} \, \text{T} $，与该类系统的预期量子极限一致。
• 当锥形角度和半径适当控制时，满足了光纤的绝热条件，从而最小化模式泄漏和超导体加热。