[论文解读] Multimode photon blockade

Srivatsan Chakram, Kevin He+8 more|Oct 29, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

该论文在具有九个高Q因子模式的三维超导电路量子电动力学（cQED）系统中，通过超导transmon量子比特诱导目标总光子数下的集体阻塞，实现了多模N体光子阻塞。通过应用光子数分辨驱动，系统实现了纯粹的N体相互作用，从而实现通用量子控制：以高保真度制备多模Fock态与纠缠W态，并通过一种新颖的多模Wigner层析成像协议进行表征，无需依赖非简谐位移工程。

ABSTRACT

Interactions are essential for the creation of correlated quantum many-body states. While two-body interactions underlie most natural phenomena, three- and four-body interactions are important for the physics of nuclei [1], exotic few-body states in ultracold quantum gases [2], the fractional quantum Hall effect [3], quantum error correction [4], and holography [5, 6]. Recently, a number of artificial quantum systems have emerged as simulators for many-body physics, featuring the ability to engineer strong interactions. However, the interactions in these systems have largely been limited to the two-body paradigm, and require building up multi-body interactions by combining two-body forces. Here, we demonstrate a pure N-body interaction between microwave photons stored in an arbitrary number of electromagnetic modes of a multimode cavity. The system is dressed such that there is collectively no interaction until a target total photon number is reached across multiple distinct modes, at which point they interact strongly. The microwave cavity features 9 modes with photon lifetimes of $\sim 2$ ms coupled to a superconducting transmon circuit, forming a multimode circuit QED system with single photon cooperativities of $\sim10^9$. We generate multimode interactions by using cavity photon number resolved drives on the transmon circuit to blockade any multiphoton state with a chosen total photon number distributed across the target modes. We harness the interaction for state preparation, preparing Fock states of increasing photon number via quantum optimal control pulses acting only on the cavity modes. We demonstrate multimode interactions by generating entanglement purely with uniform cavity drives and multimode photon blockade, and characterize the resulting two- and three-mode W states using a new protocol for multimode Wigner tomography.

研究动机与目标

• 在多个独立腔模之间实现纯粹的N体光子相互作用，克服传统两体相互作用的局限性。
• 仅通过腔模驱动，实现对光子任意多模叠加中光子qudit的通用量子控制。
• 开发一种新型多模Wigner层析成像协议，避免对高阶transmon能级或工程化非简谐位移的依赖。
• 通过光子阻塞机制，实现可扩展的三模以内的纠缠光子态——特别是W态——的制备。
• 建立一个用于模拟奇异多体量子系统并利用多模光子平台实现量子误差纠正的实验平台。

提出的方法

• 采用具有9个模式、光子寿命约2 ms的三维多模超导腔，与transmon量子比特耦合，实现单光子合作度约10^9。
• 对transmon量子比特施加光子数分辨驱动，诱导集体阻塞：仅当目标模式中总光子数达到N时才发生相互作用。
• 仅对腔模施加量子最优控制脉冲，以在选定模式中制备光子数逐渐增加的Fock态。
• 通过均匀腔模驱动与多模光子阻塞产生纠缠，实现两或三模的W态。
• 采用基于可变相位延迟的量子比特Ramsey序列，实现新型多模Wigner层析成像协议，其中量子比特的相位累积与各模中光子数成正比。
• 通过向每个模施加相干位移并反转测量数据，重构广义Wigner函数，实现无需依赖高阶transmon能级或工程化非简谐位移的完整密度矩阵表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在多模腔中实现分布在多个独立模式上的微波光子之间的纯粹N体相互作用？
• RQ2 在存在阻塞的情况下，仅通过腔模控制，如何在任意腔模中制备光子数逐渐增加的Fock态？
• RQ3 能否利用阻塞机制在无复杂非简谐位移工程的前提下，生成并表征多模光子的纠缠W态？
• RQ4 能否开发一种稳健且可扩展的多模Wigner层析成像协议，避免对高阶transmon能级或工程化非简谐位移的依赖？
• RQ5 通过高合作度cQED系统中的多模光子阻塞制备的多模光子态，其保真度与相干性如何？

主要发现

• 系统实现了多模N体相互作用，光子在总光子数未达N前保持非相互作用，一旦达到N则发生强集体相互作用。
• 在阻塞驱动存在下，仅通过腔模最优控制脉冲，成功在单个模式中制备了光子数逐渐增加的Fock态。
• 通过多模Wigner层析成像确认，两模和三模W态的态保真度分别达到0.918 ± 0.012和0.864 ± 0.014。
• 新型Wigner层析成像协议成功实现了多模态态密度矩阵的重构，无需非简谐位移工程或高阶transmon能级。
• 多模cQED平台支持高达9个高Q因子模式，光子寿命约2 ms，单光子合作度约10^9，支持高保真度量子态制备与表征。
• 结果展示了在多模光子平台中模拟奇异多体量子系统并实现量子误差纠正的可扩展路径。