[论文解读] Resonance fluorescence from an artificial atom in squeezed vacuum

D.M. Toyli, Andrew Eddins+7 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Feb 10, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 10

一句话总结

该论文展示了超导人造原子在强耦合微波频率压缩真空场中产生的共振荧光，荧光谱线宽较真空水平降低3.1 dB。通过使用宽带行波参量放大器实现高分辨率探测，作者观测到相位依赖的Mollow三峰谱，证实了两能级原子在压缩真空中的理论预测，并确立了共振荧光作为表征量子技术中行进压缩态的工具。

ABSTRACT

We present an experimental realization of resonance fluorescence in squeezed vacuum. We strongly couple microwave-frequency squeezed light to a superconducting artificial atom and detect the resulting fluorescence with high resolution enabled by a broadband traveling-wave parametric amplifier. We investigate the fluorescence spectra in the weak and strong driving regimes, observing up to 3.1 dB of reduction of the fluorescence linewidth below the ordinary vacuum level and a dramatic dependence of the Mollow triplet spectrum on the relative phase of the driving and squeezed vacuum fields. Our results are in excellent agreement with predictions for spectra produced by a two-level atom in squeezed vacuum [Phys. Rev. Lett. extbf{58}, 2539-2542 (1987)], demonstrating that resonance fluorescence offers a resource-efficient means to characterize squeezing in cryogenic environments.

研究动机与目标

• 实验验证理论预测但此前未被证实的、在压缩真空场中的人工原子共振荧光。
• 表征超导量子比特在强耦合压缩微波场下的光谱响应，特别是在弱驱动和强驱动 regimes 下的表现。
• 开发一种资源高效的探测与量化方法，利用共振荧光作为光谱工具，在低温环境中探测压缩程度。
• 验证理论预测中关于压缩真空库中相位依赖的线宽和Mollow三峰结构。

提出的方法

• 实验利用约瑟夫森参量放大器（JPA）生成可调频率、可控正交方差的行进式、频率可调微波压缩光场。
• 将transmon超导量子比特强耦合至微波波导谐振腔，形成与压缩真空场相互作用的两能级系统。
• 采用宽带行波参量放大器（TWPA）进行荧光检测，实现高分辨率，精确测量光谱线型。
• 理论建模采用Jaynes-Cummings哈密顿量与级联主方程形式，推导出在各种条件下反射光谱的解析表达式。
• 系统在毫开尔文温度（低于30 mK）下运行，以最小化热噪声贡献，确保场接近真空态。
• 系统性地改变驱动拉比场与压缩真空之间的相对相位，以探究其对荧光谱的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当两能级人造原子在存在压缩真空的条件下被相干场驱动时，其共振荧光如何变化？
• RQ2 能否在超导电路平台上实验实现并测量到亚自然线宽的荧光？
• RQ3 驱动场与压缩真空之间的相对相位如何影响Mollow三峰的光谱结构？
• RQ4 实验结果与压缩库中共振荧光的理论预测在多大程度上一致？
• RQ5 共振荧光能否作为可靠且资源高效的手段，用于表征行进压缩微波态？

主要发现

• 荧光谱线宽相比真空中的自然线宽降低最多达3.1 dB，证明了压缩引起的亚自然展宽。
• Mollow三峰谱对驱动场与压缩真空场之间相对相位表现出强烈依赖性，线宽按cos(2Φ)调制，与理论预测一致。
• 实验光谱与解析模型及级联主方程模拟结果高度一致，验证了两能级原子在压缩真空中的理论框架。
• 系统利用宽带行波参量放大器实现高分辨率荧光检测，能够观测到精细的光谱特征。
• 结果证实，共振荧光可作为表征电路量子电动力学中行进压缩微波态的光谱探针。
• 观测到的相位依赖光谱特征为非经典真空涨落提供了直接证据，证实了压缩场的量子本质。