[论文解读] Landau-Zener-Stuckelberg interferometry in multilevel superconducting flux qubit

Xueda Wen, Yiwen Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一套普适的理论框架，用于描述在高强度、高频驱动场下的多能级超导通量量子比特中的兰道-济奈-斯塔克尔伯格（LZS）干涉。通过将LZS理论扩展至多能级体系，该模型解释了实验中观测到的复杂干涉图案，并预测了新的量子现象，从而实现了对超导量子比特系统参数的精确提取以及退相干机制的探测。

ABSTRACT

Landau-Zener-Stuckelberg interferometry has been extensively investigated in quantum two-level systems, with particular interests on artificial system such as superconducting flux qubits. With increasing the driving field amplitude, more energy levels will be involved into the quantum evolution, which results in population inversion and many interesting interference patterns. These interference patterns can be used to obtain the parameters characterizing the system and probe dephasing mechanisms of the qubit. Most recently, experiments have been extended to the regime with higher-frequency and larger-amplitude driving field, in which the interference pattern exhibited more complicated characteristics. In this article, we give a universal description of the characteristics observed in both low-frequency and high-frequency regimes. Besides explaining the already observed experimental results, our theoretical model predicted many interesting phenomenon, which can be demonstrated by future experiments.

研究动机与目标

• 开发超越两能级近似的多能级超导通量量子比特中兰道-济奈-斯塔克尔伯格干涉的普适理论描述。
• 解释在高强度、高频驱动场下实验中观测到的复杂干涉图案。
• 通过干涉特征实现对超导量子比特系统物理参数的精确提取以及退相干机制的表征。
• 预测在多能级体系中出现的新颖量子现象，这些现象可在未来实验中进行验证。

提出的方法

• 将兰道-济奈-斯塔克尔伯格理论扩展至超导通量量子比特中包含多个能级的情形，且在时变驱动条件下进行分析。
• 采用时变哈密顿量来描述驱动场扫频过程中 avoided level crossings（ avoided level crossings）和非绝热跃迁。
• 将LZS公式应用于多能级体系，考虑多条跃迁路径之间的干涉效应。
• 通过数值模拟不同驱动幅度和频率下的布居数动力学与干涉条纹。
• 推导出在低频与高频区域中干涉图案的解析表达式。
• 将理论预测与现有实验数据进行对比，以验证模型的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高强度驱动下，多能级效应如何改变超导通量量子比特中兰道-济奈-斯塔克尔伯格的干涉图案？
• RQ2 当超过两个能级被动态耦合时，LZS干涉中会涌现出哪些普适特征？
• RQ3 如何利用干涉图案提取量子比特系统的物理参数？
• RQ4 多能级LZS模型预测了哪些在两能级情况下不存在的新颖量子现象？
• RQ5 高频与高强度驱动场如何改变标准LZS干涉行为？

主要发现

• 该理论模型成功解释了近期在高强度、高频驱动场下实验中观测到的复杂干涉图案。
• 该模型预测在多能级体系中会出现布居数反转和非平凡的干涉特征，这些现象无法被两能级近似所捕捉。
• 研究表明，干涉条纹对系统参数高度敏感，因而可作为量子比特表征的诊断工具。
• 该框架通过单一理论描述统一了多能级体系中LZS干涉的低频与高频区域。
• 该模型预测了新的量子现象，如多路径干涉和相位积累的改变，这些现象可在未来实验中进行验证。
• 结果表明，多能级效应显著改变了标准LZS图像，尤其是在强驱动条件下。