[论文解读] Controllable anisotropic quantum Rabi model beyond the ultrastrong coupling regime with circuit QED systems

Yimin Wang, Wen‐Long You+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 1

一句话总结

本文提出一种基于电路量子电动力学（circuit QED）的方案，通过向 flux 任意子施加双色时变磁通，实验实现超越极致强耦合 regime 的各向异性量子 Rabi 模型（AQRM）。该方法可独立调控旋转项与反向旋转项的耦合常数，从而进入极端耦合 regime，并实现量子态工程，如薛定谔猫态与受控相位门。

ABSTRACT

By manipulating the flux qubits with bichromatic time-dependent magnetic fluxes in standard circuit QED systems, we propose an experimentally-accessible method to approach the physics of the anisotropic quantum Rabi model (AQRM) in broad parameter ranges, where the rotating and counter-rotating interactions are governed by two different coupling constants. Assisted by theoretical derivations and numerical calculations, we show that our scheme not only allows for individual control of the parameters in the simulated AQRM but also reproduces the dynamics of the ultrastrong and deep strong coupling regimes. Therefore, our scheme advances the investigation of extremely strong interactions of the AQRM, which are usually experimentally unattainable. Furthermore, associated with the special case of the degenerate AQRM, we demonstrate that our setup may also find applications for protected quantum memory and quantum computation since it can be used to generate the Schr\{o}dinger cat states and the quantum controlled phase gates when scaling up.

研究动机与目标

• 将实验可访问的各向异性量子 Rabi 模型（AQRM）参数范围扩展至此前无法实现的区域。
• 在超导电路设置中实现对旋转与反向旋转耦合强度的独立控制。
• 通过实验可行的方法，研究 AQRM 在极致强耦合与深强耦合 regime 下的动力学行为。
• 通过态工程展示其在受保护量子存储与量子计算中的潜在应用。

提出的方法

• 该方案利用双色时变磁通调控标准电路 QED 架构中 flux 任意子的耦合常数。
• 通过理论推导与数值模拟，将受驱动系统映射为具有旋转项与反向旋转项独立耦合常数的 AQRM 哈密顿量。
• 系统有效哈密顿量被设计为使旋转与反向旋转相互作用分别由两个独立耦合常数控制。
• 该方法可实现对宽广参数范围的调节，包括极致强耦合与深强耦合 regime。
• 该装置具备可扩展性，支持生成非经典态，如薛定谔猫态。
• 该方案利用 AQRM 的简并极限，实现用于量子计算的受控相位门。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在电路 QED 系统中实现超越极致强耦合 regime 的各向异性量子 Rabi 模型？
• RQ2 是否可在超导量子电路中独立控制旋转与反向旋转耦合常数？
• RQ3 在该方案下，AQRM 在深强耦合 regime 下的动力学特性为何？
• RQ4 该装置是否可生成薛定谔猫态并实现量子受控相位门？
• RQ5 该系统是否适用于受保护量子存储与容错量子计算？

主要发现

• 所提出的方案实现了在宽广参数范围（包括极致强耦合与深强耦合 regime）内对各向异性量子 Rabi 模型的实验可访问性。
• 旋转与反向旋转相互作用由两个不同的耦合常数控制，实现了对这两类项的独立调控。
• 数值模拟证实，在所提出的驱动协议下，AQRM 哈密顿量被准确实现。
• 在 AQRM 的简并极限下，系统支持生成薛定谔猫态。
• 通过扩展系统规模，可实现量子受控相位门，从而支持在量子计算中的应用。
• 该方案为研究强耦合光-物质系统中的极端量子关联与非平衡动力学提供了可行平台。