[논문 리뷰] Multimode photon blockade

Srivatsan Chakram, Kevin He외 8명|2020. 10. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 9개의 고품질 인자 모드를 가진 3D 초도체 회로 양자 전기역학(cQED) 시스템에서 초도체 트랜스몬 큐비트를 이용해 목표 총 광자 수에서 집합적 차폐를 유도함으로써 다중모드 N체 광자 봉쇄를 구현한다. 광자 수 해상도가 있는 드라이브를 적용함으로써 순수한 N체 상호작용을 실현하여 보편적인 양자 제어를 가능하게 하며, 이는 Fock 상태 및 높은 정밀도로 특징화된 다중모드 Wigner 톰그래피 프로토콜을 사용한 다중 모드에서의 얽힌 W-상태 준비를 가능하게 한다. 이 프로토콜은 분산 이격도 설계가 필요하지 않다.

ABSTRACT

Interactions are essential for the creation of correlated quantum many-body states. While two-body interactions underlie most natural phenomena, three- and four-body interactions are important for the physics of nuclei [1], exotic few-body states in ultracold quantum gases [2], the fractional quantum Hall effect [3], quantum error correction [4], and holography [5, 6]. Recently, a number of artificial quantum systems have emerged as simulators for many-body physics, featuring the ability to engineer strong interactions. However, the interactions in these systems have largely been limited to the two-body paradigm, and require building up multi-body interactions by combining two-body forces. Here, we demonstrate a pure N-body interaction between microwave photons stored in an arbitrary number of electromagnetic modes of a multimode cavity. The system is dressed such that there is collectively no interaction until a target total photon number is reached across multiple distinct modes, at which point they interact strongly. The microwave cavity features 9 modes with photon lifetimes of $\sim 2$ ms coupled to a superconducting transmon circuit, forming a multimode circuit QED system with single photon cooperativities of $\sim10^9$. We generate multimode interactions by using cavity photon number resolved drives on the transmon circuit to blockade any multiphoton state with a chosen total photon number distributed across the target modes. We harness the interaction for state preparation, preparing Fock states of increasing photon number via quantum optimal control pulses acting only on the cavity modes. We demonstrate multimode interactions by generating entanglement purely with uniform cavity drives and multimode photon blockade, and characterize the resulting two- and three-mode W states using a new protocol for multimode Wigner tomography.

연구 동기 및 목표

• 다양한 고유한 고유모드에 분포된 마이크로파 광자 간 순수한 N체 상호작용을 설계하여 기존의 이체 상호작용의 한계를 극복한다.
• 단지 고유모드 드라이브만을 사용하여 임의의 다중모드 초도체 큐드릿의 양자 제어를 보편적으로 가능하게 한다.
• 분산 이격도를 설계하거나 고차 트랜스몬 준위를 사용하지 않는 새로운 다중모드 Wigner 톰그래피 프로토콜을 개발한다.
• 광자 봉쇄를 이용해 최대 3개의 모드에 걸쳐 양자 얽힌 광자 상태—특히 W-상태—를 확장 가능한 방식으로 준비한다.
• 다양한 양자 다체 시스템을 시뮬레이션하고 다중모드 광자 플랫폼을 사용한 양자 오류 수정을 구현하기 위한 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• 9개의 모드와 광자 수명 약 2ms를 가진 3D 다중모드 초도체 공진기와 트랜스몬 큐비트를 결합하여 단일 광자 협동도 약 10^9를 달성한다.
• 트랜스몬 큐비트에 광자 수 해상도가 있는 드라이브를 적용하여 집합적 봉쇄를 유도한다: 목표 모드의 총 광자 수가 N에 도달하기 전까지는 상호작용이 발생하지 않는다.
• 고유모드에만 최적 제어 펄스를 적용하여 특정 모드에서 증가하는 광자 수의 Fock 상태를 준비한다.
• 균일한 고유모드 드라이브와 다중모드 광자 봉쇄를 통해 두 개 또는 세 개의 모드에서 W-상태를 생성한다.
• 변동하는 위상 지연를 가진 큐비트 라미의 시퀀스를 사용하여 새로운 다중모드 Wigner 톰그래피 프로토콜을 구현한다. 이때 큐비트는 각 모드의 광자 수 비례로 위상이 누적된다.
• 일반화된 Wigner 함수는 각 모드에 대해 일관된 이동을 적용하고 측정 데이터를 역행렬화함으로써 재구성되며, 이는 고차 트랜스몬 준위나 설계된 분산 이격도가 필요 없이 밀도 행렬의 완전한 특징화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 고유한 고유모드에 분포된 마이크로파 광자 간 순수한 N체 상호작용이 다중모드 공진기에서 실현될 수 있는가?
• RQ2 봉쇄 상태가 존재하는 상황에서 단지 고유모드 제어만을 사용하여 임의의 고유모드에서 증가하는 광자 수의 Fock 상태를 어떻게 준비할 수 있는가?
• RQ3 복잡한 분산 이격도 설계 없이도 봉쇄 메커니즘을 이용해 다중 모드에서 광자 얽힌 W-상태를 생성하고 특징화할 수 있는가?
• RQ4 고차 트랜스몬 준위나 설계된 분산 이격도에 의존하지 않는 강력하고 확장 가능한 다중모드 Wigner 톰그래피 프로토콜을 개발할 수 있는가?
• RQ5 고협동도 cQED 시스템에서 다중모드 광자 상태가 광자 봉쇄를 통해 준비될 때의 정밀도와 양자 간섭성은 어떠한가?

주요 결과

• 시스템은 목표 모드의 총 광자 수가 N에 도달하기 전까지 광자가 상호작용하지 않으며, 도달 시 강력한 집합적 상호작용이 발생하는 다중모드 N체 상호작용을 달성한다.
• 봉쇄 드라이브가 존재하는 상황에서 고유모드 전용 최적 제어 펄스를 사용하여 특정 모드에서 증가하는 광자 수의 Fock 상태가 성공적으로 준비된다.
• 두 모드와 세 모드에서의 얽힌 W-상태는 각각 0.918 ± 0.012 및 0.864 ± 0.014의 상태 정밀도로 다중모드 Wigner 톰그래피로 확인되었다.
• 새로운 Wigner 톰그래피 프로토콜은 분산 이격도 설계나 고차 트랜스몬 준위가 필요 없이 다중모드 상태의 밀도 행렬을 성공적으로 재구성하였다.
• 다중모드 cQED 플랫폼은 최대 9개의 고품질 인자 모드를 지원하며 광자 수명은 약 2ms, 단일 광자 협동도는 약 10^9로, 고정밀도 양자 상태 준비 및 특징화를 가능하게 한다.
• 결과는 다중모드 광자 플랫폼을 사용한 이상한 다체 양자 시스템 시뮬레이션과 양자 오류 수정을 위한 확장 가능한 길을 제시한다.