[论文解读] Dissipative Landau-Zener tunneling in the crossover regime from weak to strong environment coupling

X. Dai, R. Trappen+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过可调谐超导通量量子比特，实验展示了朗道-济奈隧穿中从弱耗散到强耗散的交叉现象。通过调节系统-环境耦合强度，工作观察到了弱耦合区域的热化行为与强耦合区域的 dressed-state 动态之间的转变，为开放量子系统动力学及量子退火提供了新见解。

ABSTRACT

Landau-Zener tunneling, which describes the transition in a two-level system during a sweep through an anti-crossing, is a model applicable to a wide range of physical phenomena. Realistic quantum systems are affected by dissipation due to coupling to their environments. An important aspect of understanding such open quantum systems is the relative energy scales of the system itself and the system-environment coupling, which distinguishes the weak- and strong-coupling regimes. Using a tunable superconducting flux qubit, we observe the crossover from weak to strong coupling to the environment in Landau-Zener tunneling. Our results confirm previous theoretical studies of dissipative Landau-Zener tunneling in the weak and strong coupling limits. We devise a spin bath model that effectively captures the crossover regime. This work is relevant for understanding the role of dissipation in quantum annealing, where the system is expected to go through a cascade of Landau-Zener transitions before reaching the target state.

研究动机与目标

• 在耗散性朗道-济奈隧穿中，实验观测量子系统与环境之间从弱耦合到强耦合的交叉现象。
• 研究环境诱导效应（如热化与dressed-state跃迁）随系统-热库耦合强度增加而演变的规律。
• 对先前尚未在实验中探索的中间耦合区域，提供开放量子系统理论模型的实验验证。
• 评估这些动力学对量子退火的影响，其中非绝热跃迁与退相干是关键性能瓶颈。

提出的方法

• 采用具有电容分流结的可调谐超导通量量子比特，以控制量子比特的持久电流与能级分裂。
• 利用磁通偏置结构与快速任意波形发生器，使量子比特通过一个避免交叉的能级结构，实现朗道-济奈跃迁。
• 通过磁通敏感谐振器读出，在持久电流表象中执行测量，确保与能量本征态表象的保真度超过99%。
• 通过T1与T2弛豫/退相干测量表征噪声，并拟合电路模型以提取$ I_p $与$ Δ $随磁通偏置的变化关系。
• 使用时变AME（绝热主方程）与PTRE（自旋-变换红移方程）形式化方法模拟开放系统动力学，分别建模弱耦合与强耦合区域。
• 从噪声灵敏度与弛豫数据计算$ z $-环磁通噪声的功率谱密度（PSD），并将其作为主方程模拟的输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 当系统-环境耦合强度从弱到强增加时，耗散性朗道-济奈隧穿中的跃迁概率如何演化？
• RQ2 在中间耦合区域，主导退相干机制是什么？它们与弱耦合区域的热化行为及强耦合区域的dressed-state情景有何不同？
• RQ3 AME与PTRE形式化方法在从弱到强耦合的全交叉区域中，对实验数据的描述准确程度如何？
• RQ4 在强耦合区域，$1/f$噪声与非马尔可夫效应如何影响系统动力学？

主要发现

• 实验观察到从弱耦合到强耦合的平滑交叉，跃迁概率从主要受热化主导，转变为由环境-修饰态之间的跃迁所主导。
• 在弱耦合区域，基于实测噪声PSD的AME模拟准确预测了观测到的跃迁概率，证实了环境诱导热化的角色。
• 在强耦合区域，PTRE形式化方法对实验数据的拟合优于AME，表明强系统-热库纠缠与非马尔可夫效应对精确建模至关重要。
• 在主方程中引入兰姆移位项对最终基态概率的影响可忽略不计，验证了在无此类项的情况下使用双面AME的合理性。
• 结果表明，中间耦合区域表现出标准弱耦合或强耦合理论无法捕捉的非平凡动力学，凸显了先进开放系统理论框架的必要性。