[논문 리뷰] Quantum dynamics of a microwave resonator strongly coupled to a tunnel junction

Jérôme Estève, M. Aprili외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 06.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 강하게 결합된 마이크로파 공진기-터널 접합 시스템을 상태에 따라 달라지는 람브 시프트와 양자 점프를 공학하기 위한 조정 가능한 양자 배경으로 제안한다. 접합의 비선형 도전도를 활용하여 단일 광자 소스 작동을 위한 광자 봉쇄를 실현하고, 람브 시프트에 기인한 비선형성으로 조건부로 조절 가능한 양자 점프 동역학과 긴 양자 혼돈 시간을 달성하는 큐비트를 주로 Josephson 접합 없이 실현한다. 이는 하이퍼 정밀도의 양자 점프 동역학과 하위 갭 과정에 의해만 제한되는 양자 혼돈 시간을 달성한다.

ABSTRACT

We consider the coupling of a single mode microwave resonator to a tunnel junction whose contacts are at thermal equilibrium. We derive the quantum master equation describing the evolution of the resonator field in the strong coupling regime, where the characteristic impedance of the resonator is larger than the quantum of resistance. We first study the case of a normal-insulator-normal junction and show that a dc driven single photon source can be obtained. We then consider the case of a superconductor-insulator-normal and superconductor-insulator-superconductor junction. There, we show that the Lamb shift induced by the junction gives rise to a nonlinear spectrum of the resonator even when the junction induced losses are negligible. We discuss the resulting dynamics and consider possible applications including quantum Zeno dynamics and the realization of a qubit.

연구 동기 및 목표

• 강한 결합 영역(Zc ~ RK)에서 마이크로파 공진기와 터널 접합이 강하게 결합된 상태에서 양자 마스터 방정식을 유도한다.
• 접합에 기인한 람브 시프트가 공진기 스펙트럼에 강한, 소산 없이 비선형성을 유도할 수 있음을 보여준다.
• λ² = 2에서 NIN 접합에서 광자 봉쇄를 이용해 직류로 구동되는 단일 광자 소스를 실현한다.
• SIS 및 SIN 접합이 공진기 동역학을 낮은 포크 하위공간으로 제한함으로써 양자 점프 동역학을 실현할 수 있음을 보여준다.
• 람브 시프트 공학을 기반으로 한 Josephson 접합이 없는 큐비트를 제안하며, 조절 가능한 비선형성과 긴 양자 혼돈 시간을 확보한다.

제안 방법

• Born-Markov 및 선험 근사법을 사용하여 공진기 밀도 행렬에 대한 리드블라드 형식의 양자 마스터 방정식을 유도한다.
• 접합의 접촉면을 열역학적 배경으로 모델링하고, 포크 기저에서 이동 연산자 exp[iλ(a + a†)]를 통해 점프 연산자 Al를 표현한다.
• 접합 유형과 직류 전압 V에 따라 상태에 따라 달라지는 람브 시프트 εl 및 점프 속도 γl를 계산한다.
• 마스터 방정식을 사용하여 외부 자극 하에서의 시간 진화를 시뮬레이션하고, 양자 점프 동역학의 정밀도를 최적화한다.
• 결합 계수 λ와 전압 V를 조절하여 동역학을 n_c 포크 상태로 제한하고 큐비트 비선형성을 공학한다.
• 전압 노이즈에 의한 위상 분산을 분석하고 현실적인 노이즈 모델 하에서 양자 혼돈 시간을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강하게 결합된 공진기-접합 시스템이 상태에 따라 달라지는 람브 시프트와 양자 점프를 나타내어 새로운 양자 제어 프로토콜을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 접합 유형(SIS, SIN, NIN)이 공진기 스펙트럼에서 비선형성의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 λ² = 2에서 NIN 접합에서 광자 봉쇄가 달성될 수 있는가? 이를 통해 결정론적 단일 광자 소스를 실현할 수 있는가?
• RQ4 강하게 결합된 접합에 연결된 공진기에서 양자 점프 동역학을 실현할 수 있으며, 그 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ5 람브 시프트 비선형성 공학을 통해 Josephson 접합 없이 큐비트를 실현할 수 있으며, 그 양자 혼돈 성질은 어떠한가?

주요 결과

• λ² = 2에서 NIN 접합에서 단일 광자 소스를 실현하였으며, 한 개의 광자가 존재할 경우 두 번째 광자 흡수를 차단한다.
• SIS 및 SIN 접합의 경우 초전도 갭의 급격한 도전도 증가로 인해 람브 시프트가 강한 소산 없는 비선형성을 유도한다.
• |eV| = 5ℏΩ 및 λ² = 4.8에서 양자 점프 동역학의 정밀도는 SIN 기준 0.92, SIS 기준 0.96를 달성하였으며, λ² = 2에서도 높은 정밀도를 유지한다.
• n_c = 2에서 Josephson 접합이 없는 큐비트를 실현하였으며, λ² = 2에서 비선형성 U = Ω/20, γ₀ = Ω/2를 확보하였고, 현실적인 노이즈 하에서 위상 분산 속도는 약 10⁻⁴ s⁻¹이다.
• 큐비트의 양자 혼돈 시간은 접합에 기인한 손실이 아닌 하위 갭 과정(예: 안드레이브 산란)에 의해 제한되며, 여전히 높은 양자 혼돈을 유지할 수 있다.