[论文解读] Superradiant Hybrid Quantum Devices

Andreas Angerer, Kirill Streltsov+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 40被引用 38

一句话总结

该论文在超导谐振腔与金刚石中氮空位（NV）中心密集系综的混合量子系统中实现了迪克效应的集体辐射，其辐射脉冲发射速率比单个NV中心快约一万亿倍。该效应通过辐射强度的非线性N²标度得到证实，得益于快速腔体极限和相干耦合，为固态集体辐射激光器奠定了基础。

ABSTRACT

Superradiance is the archetypical collective phenomenon where radiation is amplified by the coherence of emitters. It plays a prominent role in optics, where it enables the design of lasers with substantially reduced linewidths, quantum mechanics, and is even used to explain cosmological observations like Hawking radiation from black holes. Hybridization of distinct quantum systems allows to engineer new quantum metamaterials pooling the advantages of the individual systems. Superconducting circuits coupled to spin ensembles are promising future building blocks of integrated quantum devices and superradiance will play a prominent role. As such it is important to study its fundamental properties in hybrid devices. Experiments in the strong coupling regime have shown oscillatory behaviour in these systems but a clear signature of Dicke superradiance has been missing so far. Here we explore superradiance in a hybrid system composed of a superconducting resonator in the fast cavity limit inductively coupled to an inhomogeneously broadened ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centres. We observe a superradiant pulse being emitted a trillion of times faster than the decay for an individual NV centre. This is further confirmed by the non-linear scaling of the emitted radiation intensity with respect to the ensemble size. Our work provides the foundation for future quantum technologies including solid state superradiant masers.

研究动机与目标

• 在超导电路与自旋系综结合的混合量子系统中演示迪克效应集体辐射。
• 通过在快速腔体极限下运行以抑制退相干并增强集体辐射，实现集体辐射的条件。
• 通过系综尺寸的非线性强度标度观察集体辐射衰减的特征，作为集体辐射衰减的标志。
• 建立一个未来用于固态集体辐射激光器和量子超材料的混合量子器件平台。

提出的方法

• 使用三维集中参数超导谐振腔在快速腔体极限下运行（κ ≫ γ, g），以增强耦合并抑制相位失配。
• 通过磁质子耦合将谐振腔与金刚石中非均匀加宽的氮空位（NV）中心系综耦合，利用磁场调谐使1–4个子系综共振耦合。
• 应用微波驱动和光学读出技术监测自旋布居动力学，并通过荧光探测测量集体辐射。
• 在主方程中采用绝热消除腔模，推导有效自旋哈密顿量，并预测发射的非线性N²标度。
• 使用Tavis-Cummings哈密顿量结合Lindblad超算符，考虑腔体衰减（κ）、自旋弛豫（γ∥）和相位失配（γ⊥）。
• 采用旋转参考系和稳态近似（ȧ = 0）推导有效自旋哈密顿量和损耗通道，证实集体辐射行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实验可实现条件下，能否在超导电路与自旋系综的混合系统中观测到迪克效应集体辐射？
• RQ2 该系统中的集体辐射是否表现出集体辐射的特征N²标度，证实相干增强？
• RQ3 快速腔体极限如何抑制退相干，并在存在非均匀加宽的情况下实现集体辐射脉冲的观测？
• RQ4 实验中的不完善因素（如磁场未对准）在多大程度上影响观测到的发射强度非线性标度？
• RQ5 该系统能否作为可扩展的固态集体辐射激光器平台？

主要发现

• 观测到集体辐射脉冲，其衰减速率约为单个NV中心自发辐射速率的一万亿倍。
• 发射辐射强度与系综尺寸呈非线性关系，符合I ∝ N²，为迪克效应集体辐射提供了直接证据。
• 尽管由于磁场未对准等实验不完善因素导致与理想N²标度存在偏差，非线性标度仍通过实验得到证实。
• 快速腔体极限（κ ≫ γ, g）在维持相干性并实现集体辐射发射中起关键作用。
• 对自旋系统的光学读出证实了自旋布居的快速衰减，与集体辐射动力学一致。
• 通过绝热消除和Lindblad主方程的理论建模，成功再现了观测到的集体辐射行为和非线性标度。