[论文解读] Multi-photon sideband transitions in an ultrastrongly-coupled circuit quantum electrodynamics system

Zhe Chen, Yimin Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 12

一句话总结

本研究在超导通量量子比特与共面波导谐振器耦合的系统中，实现了在超强耦合下的多光子边带跃迁，耦合强度达到谐振器基频的约10%。通过透射光谱测量，实验清晰观测到高阶红边带跃迁和一阶蓝边带跃迁，推动了对驱动型超强耦合量子系统理解的发展。

ABSTRACT

Ultrastrong coupling in circuit quantum electrodynamics systems not only provides a platform to study the quantum Rabi model, but it can also facilitate the implementation of quantum logic operations via high-lying resonator states. In this regime, quantum manifolds with different excitation numbers are intrinsically connected via the counter-rotating interactions, which can result in multi-photon processes. Recent experiments have demonstrated ultrastrong coupling in superconducting qubits electromagnetically coupled to superconducting resonators. Here we report the experimental observation of multiphoton sideband transitions of a superconducting flux qubit coupled to a coplanar waveguide resonator in the ultrastrong coupling regime. With a coupling strength reaching about 10% of the fundamental frequency of the resonator, we obtain clear signatures of higher-order red-sideband transitions and the first-order blue-sideband transition in a transmission spectroscopic measurement. This study advances the understanding of driven ultrastrongly-coupled systems.

研究动机与目标

• 研究超强耦合电路量子电动力学（cQED）系统中的多光子过程。
• 探讨反旋波项在连接不同激发数的量子态子空间中的作用。
• 在超强耦合条件下，实验演示超导量子比特-谐振器系统中的高阶边带跃迁。
• 在可调超导电路平台上验证量子Rabi模型的理论预测。

提出的方法

• 利用超导通量量子比特与共面波导谐振器的电磁耦合，实现超强耦合。
• 将耦合强度工程化为谐振器基频的约10%，以进入超强耦合 regime。
• 通过微波驱动下的透射光谱测量，探测系统的响应。
• 分析所得光谱，识别多光子边带跃迁的特征，包括高阶红边带和一阶蓝边带。
• 利用哈密顿量中反旋波项带来的不同激发子空间之间的内在关联。
• 表征系统的能级结构，以确认非微扰耦合效应的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超强耦合电路QED系统中，多光子边带跃迁的哪些特征信号会出现？
• RQ2 反旋波相互作用如何在该系统中实现不同激发子空间之间的跃迁？
• RQ3 在超强耦合条件下，是否能够实验分辨高阶红边带和一阶蓝边带跃迁？
• RQ4 耦合强度（约谐振器频率的10%）在多大程度上实现了非微扰量子动力学？

主要发现

• 在透射光谱中清晰观测到高阶红边带跃迁的实验信号。
• 一阶蓝边带跃迁被成功分辨，证实了在超强耦合 regime 中存在多光子过程。
• 耦合强度达到谐振器基频的约10%，确认系统处于超强耦合 regime。
• 观测到的跃迁源于内在的反旋波相互作用，该作用连接了不同的激发子空间。
• 结果表明，访问高激发谐振器态以实现量子逻辑操作在技术上是可行的。
• 该系统表现出与量子Rabi模型一致的非微扰动力学行为。