[论文解读] Electromagnetically induced transparency in a superconducting three-level system

Mika A. Sillanpää, Jian Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2009

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文通过约瑟夫森相位量子比特作为人工原子，在超导三能级系统中实现了电磁感应透明（EIT）。通过施加与某一跃迁共振的强耦合场，抑制了探测场的吸收，形成透明窗口——该现象由三能级哈密顿量模型解释，与更复杂的耗散模拟结果高度一致。

ABSTRACT

When a three-level quantum system is irradiated by an intense coupling field resonant with one of the three possible transitions, the absorption peak of an additional probe field involving the remaining level is split. This process is known in quantum optics as the Autler-Townes effect. We observe these phenomena in a superconducting Josephson phase qubit, which can be considered an artificial atom with a multilevel quantum structure. The spectroscopy peaks can be explained reasonably well by a simple three-level Hamiltonian model. Simulation of a more complete model (including dissipation, higher levels, and cross-coupling) provides excellent agreement with all the experimental data.

研究动机与目标

• 研究超导人工原子中的量子光学效应，如奥尔特勒-托恩斯效应。
• 探索在固态量子比特系统中实现电磁感应透明（EIT）的条件。
• 将多能级超导电路的理论模型与实验光谱数据进行验证。
• 理解耗散、高能级及交叉耦合在塑造观测光谱特征中的作用。

提出的方法

• 用与三能级跃迁之一共振的强耦合场照射超导约瑟夫森相位量子比特。
• 施加弱探测场，测量系统在剩余跃迁处的透射特性。
• 使用三能级哈密顿量模型描述能级间的相干耦合。
• 通过包含耗散、高激发态及耦合串扰的更全面模型进行模拟，以匹配实验数据。
• 分析所得光谱峰，识别电磁感应透明及奥尔特勒-托恩斯劈裂的特征。
• 将实验结果与理论预测进行比较，验证扩展模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超导三能级系统中观测到电磁感应透明？
• RQ2 强耦合场的施加如何影响约瑟夫森量子比特中探测场的透射谱？
• RQ3 简单三能级哈密顿量模型在多大程度上能解释观测到的光谱特征？
• RQ4 与理想化模型相比，耗散、高能级及交叉耦合如何影响实验光谱？
• RQ5 全耗散模拟与实验数据在此系统中的吻合程度如何？

主要发现

• 通过耦合场的相干调控，在超导三能级系统中实现了电磁感应透明。
• 探测场吸收峰因奥尔特勒-托恩斯效应发生劈裂，表明量子比特能级间存在强耦合。
• 简单的三能级哈密顿量模型可合理解释观测到的光谱峰特征。
• 包含耗散、高能级及交叉耦合的更完整模型与所有实验数据高度一致。
• 实验结果证实，超导约瑟夫森相位量子比特可作为可调谐的人工原子，具备可控的量子光学响应。