[논문 리뷰] Inhibition of ground-state superradiance and light-matter decoupling in circuit QED

Tuomas Jaako, Ze-Liang Xiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 18.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 LC 공진기와 대칭적으로 결합된 다수의 초도체 큐비트를 가진 회로 QED 시스템에서의 빛-물질 상호작용을 조사한다. 직접적인 큐비트-큐비트 상호작용—최소 회로 모델에 의해 유도됨—은 고체 상태의 초광선 방출을 억제하고, 초강력 결합 영역에서는 광자 모드가 완전히 분리되어 큐비트들이 높은 양자 얽힘 상태로 투영됨을 보여주며, 이는 다중 큐비트 설정에서의 초광선 상전이에 대한 논란을 해결한다.

ABSTRACT

We study effective light-matter interactions in a circuit QED system consisting of a single $LC$ resonator, which is coupled symmetrically to multiple superconducting qubits. Starting from a minimal circuit model, we demonstrate that in addition to the usual collective qubit-photon coupling the resulting Hamiltonian contains direct qubit-qubit interactions, which prevent the otherwise expected superradiant phase transition in the ground state of this system. Moreover, these qubit-qubit interactions are responsible for an opposite mechanism, which at very strong couplings completely decouples the photon mode and projects the qubits into a highly entangled ground state. These findings shed new light on the controversy over the existence of superradiant phase transitions in cavity and circuit QED systems, and show that the physics of ultrastrong light-matter interactions in two- or multi-qubit settings differ drastically from the more familiar one qubit case.

연구 동기 및 목표

• 다중 큐비트 회로 QED 시스템에서의 초광선 상전이 존재성과 성격을 조사하는 것.
• 직접적인 큐비트-큐비트 상호작용이 집단적 빛-물질 결합을 수정하는 데서 수행하는 역할을 규명하는 것.
• 초강력 결합 상태에서 광자 모드가 분리되고 큐비트의 얽힌 기저 상태로 투영되는지 여부를 판단하는 것.
• 한 개 이상의 큐비트가 있는 캐비티 및 회로 QED에서 초광선에 대한 문헌상의 모순을 해결하는 것.

제안 방법

• 단일 LC 공진기와 다수의 초도체 큐비트에 대칭적으로 결합된 최소 회로 모델을 수립하는 것.
• 회로 모델에서 효과적 해밀토니안을 유도하여 모든 상호작용 항, 특히 큐비트-큐비트 상호작용 항을 식별하는 것.
• 다양한 결합 강도에서 시스템의 기저 상태를 분석하여 상전이 또는 분리 현상을 탐지하는 것.
• 약한 및 초강력 결합 영역 모두에서 페르투르베이티브 및 비페르투르베이티브 기법을 사용하여 시스템을 연구하는 것.
• 광자 모드가 분리되었을 때 큐비트 부분공간에서의 얽힘의 발생을 조사하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접적인 큐비트-큐비트 상호작용 존재가 다중 큐비트 회로 QED 시스템의 기저 상태에서 예상되는 초광선 상전이를 방지하는가?
• RQ2 이러한 큐비트-큐비트 상호작용은 효과적 빛-물질 결합을 어떻게 수정하는가?
• RQ3 광자 모드가 큐비트들로부터 완전히 분리되는 결합 강도는 어느 정도인가?
• RQ4 초강력 결합 효과로 인해 큐비트들이 높은 얽힌 기저 상태로 투영될 수 있는가?
• RQ5 이중 또는 다중 큐비트 시스템에서 초강력 결합의 물리적 특성은 단일 큐비트 경우와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 최소 회로 모델에 의해 유도되는 직접적인 큐비트-큐비트 상호작용은 시스템 기저 상태에서 예상되는 초광선 상전이를 억제한다.
• 초강력 결합 강도에서 큐비트-큐비트 상호작용의 지배적 영향으로 광자 모드가 큐비트들로부터 완전히 분리된다.
• 광자 모드가 분리되었을 때 큐비트들은 높은 양자 얽힘 상태로 투영되며, 이는 새로운 형태의 many-body 얽힘을 나타낸다.
• 다중 큐비트 영역에서의 시스템 거동은 일반적으로 초광선이 예상되는 단일 큐비트 경우와 근본적으로 다르다.
• 이러한 발견은 큐비트-큐비트 상호작용 간의 경쟁으로 인해 다중 큐비트 회로 QED에서 초광선 상전이가 억제됨을 보여줌으로써 오랫동안 지속된 논란을 해결한다.