[论文解读] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit

Yutaka Tabuchi, Seiichiro Ishino+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

该论文通过微波腔实现了毫米尺寸钇铁石榴石（YIG）球体中自旋波激发与超导transmon量子比特之间的强而相干的耦合，耦合强度达21.0 MHz，超过自旋波和腔模的退相干速率。系统工作在强耦合 regime，通过可调制的参量驱动实现对自旋波的量子调控，为量子自旋波学奠定了基础。

ABSTRACT

Rigidity of an ordered phase in condensed matter results in collective excitation modes spatially extending in macroscopic dimensions. Magnon is a quantum of an elementary excitation in the ordered spin system, such as ferromagnet. Being low dissipative, dynamics of magnons in ferromagnetic insulators has been extensively studied and widely applied for decades in the contexts of ferromagnetic resonance, and more recently of Bose-Einstein condensation as well as spintronics. Moreover, towards hybrid systems for quantum memories and transducers, coupling of magnons and microwave photons in a resonator have been investigated. However, quantum-state manipulation at the single-magnon level has remained elusive because of the lack of anharmonic element in the system. Here we demonstrate coherent coupling between a magnon excitation in a millimetre-sized ferromagnetic sphere and a superconducting qubit, where the interaction is mediated by the virtual photon excitation in a microwave cavity. We obtain the coupling strength far exceeding the damping rates, thus bringing the hybrid system into the strong coupling regime. Furthermore, we find a tunable magnon-qubit coupling scheme utilising a parametric drive with a microwave. Our approach provides a versatile tool for quantum control and measurement of the magnon excitations and thus opens a new discipline of quantum magnonics.

研究动机与目标

• 实现铁磁绝缘体中自旋波模式与超导量子比特之间的相干强耦合，以用于量子信息应用。
• 通过利用集体自旋波激发和量子比特非线性特性，克服单个自旋波耦合较弱的挑战。
• 通过参量微波驱动实现可调耦合，实现对自旋波-量子比特相互作用强度的动态控制。
• 建立一个结合宏观自旋激发与超导电路的混合量子系统，用于量子态操控。

提出的方法

• 将一个transmon型超导量子比特与一个微波腔模（TE102）耦合，该腔模介导了量子比特与YIG球体中Kittel模自旋波之间的相互作用。
• YIG球体（直径0.5 mm）支持一种相干性好、损耗低的自旋波模式，具有高自旋密度（N ≈ 1.4×10^18），从而增强耦合强度。
• 通过腔模中的虚光子交换实现耦合，量子比特与自旋波通过腔模间接相互作用，避免了直接的量子比特-自旋波耦合。
• 利用参量微波驱动实现可调耦合，实现对有效自旋波-量子比特相互作用强度的动态控制。
• 理论建模采用包含量子比特-腔、腔-自旋波及量子比特-自旋波相互作用的哈密顿量，结合绝热近似与残余耦合的微扰处理。
• 数值模拟在参量驱动下重现了Kittel模谱的双峰结构与Rabi劈裂，验证了理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在宏观铁磁绝缘体中实现自旋波模式与超导量子比特在量子 regime 下的相干耦合？
• RQ2 自旋波与超导量子比特之间的可实现耦合强度是多少？是否超过退相干速率，从而进入强耦合 regime？
• RQ3 能否通过参量微波驱动实现对自旋波-量子比特耦合的动态调制？
• RQ4 残余耦合在系统中起什么作用？它如何影响观测到的谱学特征？

主要发现

• 测得的自旋波-量子比特耦合强度为21.0 MHz，超过自旋波线宽（1.4 MHz）和腔模线宽（2.5 MHz），确认系统处于强耦合 regime。
• 谱学中观察到明显的反交叉现象，表明自旋波与腔模之间存在相干能量交换。
• 观察到另一个磁静磁模式，与主模式偏移4.3 MHz，其与腔模的耦合强度为4.2 MHz，导致谱线劈裂。
• 参量驱动实现了可调耦合，驱动功率与有效耦合强度之间的转换比为4.0 ± 0.4 MHz/pW。
• 观测到残余耦合为-2.5 MHz（测量值），其导致Kittel模频率随量子比特态变化而发生偏移，与数值模拟结果一致。
• 数值模拟在参量驱动下重现了实验观测到的双峰结构与双光子Rabi劈裂，验证了理论模型。