[論文レビュー] Non-equilibrium phases in hybrid flux-qubit--NV-center arrays

Thomas Hümmer, Georg M. Reuther+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、強い結合下で Jaynes-Cummings-格子における局在化-拡散化遷移を模擬するため、超伝導フラックスキュービットとダイヤモンド中の窒素・バケーション（NV）センターを組み合わせたハイブリッド量子アーキテクチャを提案する。キャビティを介した格子とは異なり、結合はキュービットによって媒介され、任意の次元におけるイン・サイト可変性が可能であり、非平衡ダイナミクスやデコherence効果を現在の実験技術を用いて解析可能である。

ABSTRACT

We propose a startling hybrid quantum architecture for simulating a localization-delocalization transition. The concept is based on an array of superconducting flux qubits which are coupled to a diamond crystal containing nitrogen-vacancy (NV) centers. The underlying description is a Jaynes-Cummings-lattice in the strong-coupling regime. However, in contrast to well-studied coupled cavity arrays the interaction between lattice sites is mediated here by the qubit rather than by the oscillator degrees of freedom. Nevertheless, we point out that a transition between a localized and a delocalized phase occurs in this system as well. We demonstrate the possibility of monitoring this transition in a non-equilibrium scenario, including decoherence effects. The proposed scheme allows the monitoring of localization-delocalization transitions in Jaynes-Cummings-lattices by use of currently available experimental technology. Contrary to cavity-coupled lattices, our proposed recourse to stylized qubit networks facilitates (i) to investigate localization-delocalization transitions in arbitrary dimensions and (ii) to tune the inter-site coupling in-situ.

研究の動機と目的

• 超伝導フラックスキュービットとNVセンターを組み合わせたハイブリッド量子系における非平衡量子相の探求。
• キャビティを介した結合に依存せずに、Jaynes-Cummings-格子における局在化-拡散化遷移の実現。
• デコherenceを含む現実的な条件における、このような遷移の実験的モニタリングの実現。
• 任意の空間次元における量子相転移の研究のためのプラットフォームの提供。
• キュービットを介した相互作用により、サイト間結合のイン・サイト可変性の実現。

提案手法

• 系は、フラックスキュービットがダイヤモンド格子内のNVセンターと結合した強い結合領域における Jaynes-Cummings-格子としてモデル化される。
• サイト間結合は、光子的または振動子自由度ではなく、キュービットによって媒介され、結合強度の直接制御が可能となる。
• 非平衡状態での理論的分析が行われ、実験的条件下を模倣するためデコherence効果を組み込む。
• 数値的および解析的手法を用いて、局在化および拡散化の兆候を特定するため、系の相挙動が検討される。
• 超伝導キュービットおよびNVセンターの操作における既存の実験的技術を活用したアーキテクチャ。
• キュービットのパラメータを調整することで、サイト間結合のイン・サイトチューニングが可能であり、格子の量子的挙動に対する動的制御が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティを介した結合に依存せず、キュービットを介した結合を用いて、Jaynes-Cummings-格子における局在化-拡散化遷移を実現できるか。
• RQ2 非平衡ダイナミクスは、このようなハイブリッド系における局在化-拡散化遷移の観測にどのように影響するか。
• RQ3 デコherence効果を理論的記述に組み込むと、相転移の兆候が曇る程度にまで及ぶか。
• RQ4 現在の実験技術を用いて、このような遷移をイン・サイトでモニタリングおよび制御できるか。
• RQ5 このキュービットベースのアーキテクチャを用いて、任意の空間次元における遷移の研究が可能か。

主な発見

• 提案されたハイブリッドフラックスキュービット–NVセンター配列において、キャビティを介した結合が存在しない状況でも、局在化-拡散化遷移が実証された。
• デコherenceの影響を含む非平衡状況下でも遷移がモニタリング可能であり、実験的関連性が高い。
• キュービットを介した結合メカニズムにより、サイト間結合のイン・サイトチューニングが可能であり、系の相に対する動的制御が可能である。
• このアーキテクチャは、従来のキャビティ結合格子の制限を超えて、任意の次元における量子相転移の研究を可能にする。
• 系は現在の実験技術の範囲内にあり、予測された相転移の実現および観測が可能である。
• 理論的分析により、非平衡およびデコherenceの現実的条件下でも、相転移が頑健であることが確認された。