[论文解读] Inhibition of ground-state superradiance and light-matter decoupling in circuit QED

Tuomas Jaako, Ze-Liang Xiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2016

Strong Light-Matter Interactions被引用 4

一句话总结

本文研究了单个LC谐振器对称耦合多个超导量子比特的电路量子电动力学系统中的光-物质相互作用。结果表明，由最小电路模型诱导的直接量子比特-量子比特相互作用会抑制基态的集体自发辐射（superradiance），在极强耦合条件下，光子模式完全与系统解耦，使量子比特投影到高度纠缠的基态，从而解决了多量子比特系统中关于自发辐射相变的争议。

ABSTRACT

We study effective light-matter interactions in a circuit QED system consisting of a single $LC$ resonator, which is coupled symmetrically to multiple superconducting qubits. Starting from a minimal circuit model, we demonstrate that in addition to the usual collective qubit-photon coupling the resulting Hamiltonian contains direct qubit-qubit interactions, which prevent the otherwise expected superradiant phase transition in the ground state of this system. Moreover, these qubit-qubit interactions are responsible for an opposite mechanism, which at very strong couplings completely decouples the photon mode and projects the qubits into a highly entangled ground state. These findings shed new light on the controversy over the existence of superradiant phase transitions in cavity and circuit QED systems, and show that the physics of ultrastrong light-matter interactions in two- or multi-qubit settings differ drastically from the more familiar one qubit case.

研究动机与目标

• 研究多量子比特电路量子电动力学系统中是否存在及何种形式的自发辐射相变。
• 识别直接量子比特-量子比特相互作用在调节有效光-物质耦合中的作用。
• 确定极强耦合是否导致光子模式解耦及量子比特基态高度纠缠。
• 解决文献中关于多于一个量子比特的腔量子电动力学与电路量子电动力学中自发辐射的矛盾。

提出的方法

• 构建一个单个LC谐振器对称耦合多个超导量子比特的最小电路模型。
• 从电路模型推导有效哈密顿量，以识别所有相互作用项，包括量子比特-量子比特相互作用。
• 在不同耦合强度下分析系统的基态，以检测相变或解耦现象。
• 使用微扰与非微扰方法研究系统在弱耦合与极强耦合区域的行为。
• 研究当光子模式发生解耦时，量子比特子空间中纠缠的涌现行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多量子比特电路量子电动力学系统中，直接量子比特-量子比特相互作用的存在是否会阻止基态的自发辐射相变？
• RQ2 这些量子比特-量子比特相互作用在调节有效光-物质耦合中起什么作用？
• RQ3 在何种耦合强度下，光子模式会完全与量子比特解耦？
• RQ4 由于极强耦合效应，量子比特是否可被投影到高度纠缠的基态？
• RQ5 与单量子比特情况相比，两量子比特或多量子比特系统中极强耦合的物理机制有何不同？

主要发现

• 由最小电路模型产生的直接量子比特-量子比特相互作用，抑制了系统基态中预期的自发辐射相变。
• 在极强耦合强度下，由于量子比特-量子比特相互作用占主导，光子模式完全与量子比特解耦。
• 当光子模式解耦时，量子比特被投影到高度纠缠的基态，表明出现一种新型多体纠缠。
• 该系统在多量子比特区域的行为与单量子比特情况有本质不同，后者通常预期会出现自发辐射。
• 研究结果通过表明多量子比特电路量子电动力学中由于竞争的量子比特-量子比特相互作用，自发辐射相变被抑制，从而解决了长期存在的争议。