[论文解读] In-situ frequency tuning of photons stored in a high Q microwave cavity

Martin Sandberg, C. M. Wilson+5 more|ArXiv.org|Jan 16, 2008

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文通过动态调制基于SQUID的约瑟夫森电感，实现了在高品质因数超导共面波导谐振器中对单个微波光子的原位、超快频率调谐。该器件在10纳秒内实现超过330 MHz的失谐，速度快于谐振腔的光子寿命，从而实现了对单个光子频率的相干操控，对电路量子电动力学中动态量子比特耦合具有重要意义。

ABSTRACT

Photons are fundamental excitations of the electromagnetic field and can be captured in cavities. For a given cavity with a certain size, the fundamental mode has a fixed frequency f which gives the photons a specific "colour". The cavity also has a typical lifetime tau, which results in a finite linewidth delta f}. If the size of the cavity is changed fast compared to tau, and so that the frequency change Delta f >> delta f, then it is possible to change the "colour" of the captured photons. Here we demonstrate superconducting microwave cavities, with tunable effective lengths. The tuning is obtained by varying a Josephson inductance at one end of the cavity. We show tuning by several hundred linewidths in a time Delta t << tau. Working in the few photon limit, we show that photons stored in the cavity at one frequency will leak out from the cavity with the new frequency after the detuning. The characteristics of the measured devices make them suitable for dynamic coupling of qubits.

研究动机与目标

• 开发一种可调谐的超导微波谐振腔，实现快速、原位的频率控制，以支持动态量子操作。
• 通过采用谐振腔基量子比特相互作用而非量子比特调谐，解决耦合过程中保持量子比特相干性的挑战。
• 证明在少光子 regime 中可对单个光子进行频率调谐，证实了相干光子能量操控。
• 在保持高内品质因数（Q）以实现长光子存储时间的同时，实现大范围的调谐范围和高速度。
• 为超导量子比特的动态耦合及非经典光子态的研究提供新平台。

提出的方法

• 在蓝宝石基板上制备了四分之一波长的超导共面波导（CPW）谐振器，表面覆盖400 nm热氧化硅（SiO2）层。
• 谐振器的一端连接一个或多个串联的SQUID，通过磁通控制实现其作为可调电感器的功能。
• SQUID电感使用非线性电感方程建模：$ L_s = \frac{\Phi_0}{4\pi I_c |\cos(\pi\Phi/\Phi_0)|} \sqrt{1 - \left(\frac{I}{2I_c \cos(\pi\Phi/\Phi_0)}\right)^2} $，实现动态频率调谐。
• 利用微波反射测量技术对谐振器进行探测，通过散射矩阵理论测量反射系数 $ \Gamma = \frac{V_r}{V_d} $。
• 对SQUID施加快速磁通脉冲（最短10 ns，上升时间约3 ns），以快速改变谐振腔频率，系统响应实时测量。
• 系统在20 mK下运行，以最小化热光子占据数，确保可进入少光子 regime。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不破坏相干性的前提下，实时调谐存储在高品质因数谐振腔中的单个微波光子的频率？
• RQ2 在调谐过程中，仍能实现相干光子能量转移的最小时间尺度是多少？
• RQ3 在保持高Q值和低损耗的前提下，谐振腔频率可被调谐多大范围？
• RQ4 该调谐机制能否用于相干压缩或拉伸存储的光子，从而有效改变其能量？
• RQ5 调谐速度与谐振腔光子寿命相比如何？对动态量子控制有何影响？

主要发现

• 该器件在4.9 GHz谐振腔中实现了高达700 MHz的频率失谐，超过250个线宽，证明了极大的调谐范围。
• 在10 ns脉冲内实现330 MHz的失谐，上升时间仅3 ns，证实调谐速度远超谐振腔的光子寿命。
• 系统保持了较高的内部Q因子，实测Q值接近理论预期，尽管因脉冲幅度抖动导致轻微退化。
• 在少光子 regime（平均光子数~5）中，光子在失谐后能调整至新谐振频率，证实了单个光子的相干频率调谐。
• 通过快速磁通脉冲，器件可实现谐振频率的增加与减小，支持对存储光子能量的双向调谐。
• 观察到不完美脉冲线引起的多次反射，但核心快速振荡表明调谐动力学在纳秒尺度上被良好分辨。