[论文解读] Non-equilibrium phases in hybrid flux-qubit--NV-center arrays

Thomas Hümmer, Georg M. Reuther+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本文提出一种混合量子架构，利用超导通量量子比特与金刚石中的氮-vacancy（NV）中心耦合，在强耦合条件下模拟Jaynes-Cummings-晶格中的局域化-非局域化相变。与基于腔体的晶格不同，该架构通过量子比特介导耦合，实现了原位可调性，可在任意维度下研究此类相变，并可利用现有实验技术分析非平衡动力学与退相干效应。

ABSTRACT

We propose a startling hybrid quantum architecture for simulating a localization-delocalization transition. The concept is based on an array of superconducting flux qubits which are coupled to a diamond crystal containing nitrogen-vacancy (NV) centers. The underlying description is a Jaynes-Cummings-lattice in the strong-coupling regime. However, in contrast to well-studied coupled cavity arrays the interaction between lattice sites is mediated here by the qubit rather than by the oscillator degrees of freedom. Nevertheless, we point out that a transition between a localized and a delocalized phase occurs in this system as well. We demonstrate the possibility of monitoring this transition in a non-equilibrium scenario, including decoherence effects. The proposed scheme allows the monitoring of localization-delocalization transitions in Jaynes-Cummings-lattices by use of currently available experimental technology. Contrary to cavity-coupled lattices, our proposed recourse to stylized qubit networks facilitates (i) to investigate localization-delocalization transitions in arbitrary dimensions and (ii) to tune the inter-site coupling in-situ.

研究动机与目标

• 探索超导通量量子比特与NV中心结合的混合量子系统中的非平衡量子相。
• 在不依赖腔体介导耦合的条件下，展示Jaynes-Cummings-晶格中的局域化-非局域化相变。
• 在包含退相干效应的实际条件下，实现对这类相变的实验监测。
• 提供一个研究任意空间维度下量子相变的平台。
• 通过量子比特介导的相互作用，实现原位可调的位点间耦合。

提出的方法

• 系统在强耦合 regime 下建模为Jaynes-Cummings-晶格，通量量子比特与金刚石晶格中的NV中心耦合。
• 位点间耦合由量子比特介导，而非光子或振子自由度，从而可直接控制耦合强度。
• 在非平衡设置下进行理论分析，纳入退相干效应以模拟实际实验条件。
• 通过数值与解析方法研究系统的相变行为，以识别局域化与非局域化的特征。
• 该架构利用了当前超导量子比特与NV中心操控的实验能力。
• 该模型允许通过调节量子比特参数实现原位调控位点间耦合，从而实现对晶格量子行为的动态控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖腔体介导耦合的情况下，通过量子比特介导的耦合在Jaynes-Cummings-晶格中实现局域化-非局域化相变？
• RQ2 非平衡动力学如何影响此类混合系统中局域化-非局域化相变的观测？
• RQ3 在不掩盖相变特征的前提下，退相干效应在理论描述中可被纳入到何种程度？
• RQ4 是否可利用现有实验技术实现对相变的原位监测与控制？
• RQ5 该基于量子比特的架构是否可行用于在任意空间维度下研究此类相变？

主要发现

• 在所提出的混合通量量子比特-NV中心阵列中，即使在无腔体介导耦合的情况下，也实现了局域化-非局域化相变。
• 该相变可在非平衡情景下被监测，包括退相干效应的影响，使其具有实验相关性。
• 量子比特介导的耦合机制允许对位点间耦合进行原位调制，为系统相变提供动态控制。
• 该架构可实现对任意维度下量子相变的研究，克服了传统腔体耦合晶格的局限性。
• 该系统仍处于现有实验技术的可实现范围内，有望实现并观测到预测的相变。
• 理论分析证实，该相变在实际非平衡与退相干条件下仍具有鲁棒性。