[論文レビュー] Multi-photon sideband transitions in an ultrastrongly-coupled circuit quantum electrodynamics system

Zhe Chen, Yimin Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、共鳴子の基本周波数の約10%に達する結合強度を有する超伝導フラックスキュービットと帯状波ガイド共振器の超強結合状態において、多光子サイドバンド遷移を実験的に示した。伝送分光法により、明確な高次レッドサイドバンドおよび一次ブルーサイドバンド遷移が観測され、駆動された超強結合量子系の理解が進んだ。

ABSTRACT

Ultrastrong coupling in circuit quantum electrodynamics systems not only provides a platform to study the quantum Rabi model, but it can also facilitate the implementation of quantum logic operations via high-lying resonator states. In this regime, quantum manifolds with different excitation numbers are intrinsically connected via the counter-rotating interactions, which can result in multi-photon processes. Recent experiments have demonstrated ultrastrong coupling in superconducting qubits electromagnetically coupled to superconducting resonators. Here we report the experimental observation of multiphoton sideband transitions of a superconducting flux qubit coupled to a coplanar waveguide resonator in the ultrastrong coupling regime. With a coupling strength reaching about 10% of the fundamental frequency of the resonator, we obtain clear signatures of higher-order red-sideband transitions and the first-order blue-sideband transition in a transmission spectroscopic measurement. This study advances the understanding of driven ultrastrongly-coupled systems.

研究の動機と目的

• 超強結合回路量子電磁力学（cQED）系における多光子過程を調査すること。
• 反回転項が異なる励起数を持つ量子多様体をどのように接続するかを明らかにすること。
• 超強結合下における超伝導キュービット-共振器系で高次サイドバンド遷移を実験的に実証すること。
• 調整可能な超伝導回路プラットフォーム上で、量子ラビ模型の理論的予測を検証すること。

提案手法

• 超伝導フラックスキュービットを帯状波ガイド共振器と電磁的に結合させ、超強結合を実現した。
• 共振器の基本周波数の約10%に相当する結合強度を設計することで、超強結合領域にアクセスした。
• マイクロ波駆動下での系の応答を調べるために伝送分光法を実施した。
• 得られたスペクトルを分析し、高次レッドサイドバンドおよび一次ブルーサイドバンド遷移の兆候を同定した。
• ハミルトニアン内の反回転項に起因する、異なる励起多様体間の内在的関係を活用した。
• 非摂動的結合効果の存在を確認するために、系のエネルギー準位構造を特徴付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超強結合回路QED系において、多光子サイドバンド遷移のどのような兆候が現れるか？
• RQ2 反回転項は、このような系において、異なる励起数を持つ多様体間の遷移をどのように可能にするか？
• RQ3 超強結合下で、高次レッドサイドバンドおよび一次ブルーサイドバンド遷移を実験的に解像できるか？
• RQ4 結合強度（共振器周波数の約10%）が非摂動的量子力学的ダイナミクスをどの程度可能にするか？

主な発見

• 伝送スペクトルにおいて、高次レッドサイドバンド遷移の明確な実験的兆候が観測された。
• 一次ブルーサイドバンド遷移が解像され、超強結合領域における多光子過程の存在が確認された。
• 結合強度が共振器の基本周波数の約10%に達しており、超強結合領域に位置することが確認された。
• 観測された遷移は、異なる励起多様体を接続する内在的反回転相互作用に起因している。
• 結果として、量子論理操作に向けた高エネルギー準位の励起状態へのアクセスが可能であることが示された。
• 系は、量子ラビ模型と整合する非摂動的ダイナミクスを示した。